Универсальная установка для плазменной наплавки с числовым программным управлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

УНИВЕРСАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКИ С ЧИСЛОВЫМ ПРООГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

В.А. Папенков, А.А. Сидоров, А.С. Рыбаков

Аннотация

Приведена история и анализ создания установок для плазменной наплавки, их недостатки и преимущества. Отмечено, что их в основном создавали на основе агрегатно-модульного принципа, т.е. из унифицированных узлов и блоков.

Разработанная установка предназначена для плазменной наплавки комбинированной (двойной) плазменной дугой с токоведущей подогреваемой присадочной проволокой цилиндрических поверхностей на постоянном токе обратной полярности. Установка выполняет наплавку в автоматическом режиме без участия оператора.

Ключевые слова: плазменная наплавка, оборудование, плазменная дуга, специальные и универсальные установки.

Annotation

UNIVERSAL MACHINE FOR PLASMA WELDING CNC

V.A. Papenkov, A.A. Sidorov, A.S. Rybakov

The history and analysis of the creation of installations for plasma welding, their advantages and disadvantages. Noted that they mainly created on the basis of aggregate-modular principle, i.e. from the unified assemblies and units.

The systems are designed for plasma welding combined (double) plasma arc with conductive heated filler wire cylindrical surfaces at direct current of reverse polarity. Installation perform the surfacing in automatic mode without participation of the operator.

Key words: plasma welding, equipment, plasma arc, special and universal equipment.

Основная часть

Для реализации многочисленных способов плазменной наплавки промышленностью было разработано большое количество разнообразного оборудования, которое выпускалось как в единичных экземплярах, так и серийно. Как правило, оборудование для плазменной наплавки создавалось на основе агрегатно-модульного принципа, т.е. универсальные или специализированные аппараты и установки, скомпонованные из унифицированных узлов и блоков [1].

По такому принципу в ИЭС им. Е.О. Патона (Украина) был разработан ряд универсальных и специализированных установок для плазменно-порошковой наплавки. Для комплектации многих из них использовали базовый аппарат для плазменно-порошковой наплавки А1756. В зависимости от назначения аппарат А1756 устанавливался на станине, самоходной тележке, суппорте токарного станка и т.д. Среди наиболее распространенных универсальных установок разработанных на базе аппарата А 1756 следует отметить установку ОБ2184, предназначенную для наплавки наружных цилиндрических поверхностей, И-185 - для наплавки концевых фрез [2].

В СССР наибольшее распространение получили установки УПН-303, разработанные ВНИИЭСО (г. Санкт-Петербург). Они состояли из наплавочной головки, смонтированной на поворотной колонне, манипулятора, источника питания и системы управления. Для плазменной наплавки с токоведущей или нейтральной присадочной проволокой на прямой или обратной полярности во ВНИИЭСО были разработаны универсальные установки УПН-601 и УПН-602 [3].

Следует отметить, что некоторые зарубежные и большинство отечественных универсальных установок имеют ограниченные технологические возможности. Из-за того, что установки разрабатываются на основе унифицированных узлов, возникают трудности с их согласованием и управлением в процессе наплавки. В большинстве случаев, управление узлами и механизмами сводится к их включению и выключению контроллером (аналоговым или цифровым) в определённый момент времени при наплавке, а настройка параметров (частота вращения, амплитуда колебаний и т.д.) выполняется вручную на самом механизме. Наплавка деталей сложной геометрической формы, таких как шнеки, червяки экструдеров, на таких установках становится трудновыполнимой.

Исключение составляют большинство зарубежных установок для плазменной наплавки, которые собираются с применением роботов и универсальных вращателей, управляемых промышленными компьютерами.

Такие установки обладают широким рядом технологических возможностей, способны выполнять наплавку деталей с различной формой и размерами. Среди наиболее известных зарубежных фирм, выпускающих установки для плазменной наплавки, следует отметить: «Кастолин-Эвтектик», «Митсубиши», «Мессер Грисхайм» и другие [2].

Специализированные установки для плазменной наплавки, разработанные ранее и изготавливаемые в настоящее время, предназначены для наплавки конкретных изделий. В отдельных случаях специализированные установки разрабатываются для выполнения наплавки ряда однотипных деталей, обрабатываемых по типовому технологическому процессу.

Специализированные установки в отличии от универсальных, позволяют выполнять процесс наплавки в автоматическом режиме, в т.ч. без участия оператора. Загрузка и выгрузка деталей выполняются автоматически, все исполнительные механизмы настраиваются на выполнение действий с параметрами режима определённых техпроцессом и управляются цифровым или аналоговым контроллером.

В ОАО «Тульский научно исследовательский технологический институт» с 1988 года разрабатывались и изготавливались специализированные установки для плазменной наплавки меди и медных сплавов на различные детали цилиндрической формы.

Разработанные установки предназначены для плазменной наплавки комбинированной (двойной) плазменной дугой с токоведущей подогреваемой присадочной проволокой цилиндрических поверхностей на постоянном токе обратной полярности. Установки выполняют наплавку в автоматическом режиме без участия оператора. На базе этих установок в ОАО ТНИТИ в 1990 г. был разработан и внедрён на заводах отрасли ряд линий автоматической плазменной наплавки.

Разработанные установки спроектированы без применения унифицированных узлов. Большинство исполнительных механизмов установок - механические с приводом от двигателей постоянного тока.

Управление установками осуществляется аналоговыми контроллерами, собранными на реле времени и обеспечивающими включение и выключение узлов и механизмов, в соответствии с заданной циклограммой работы.

Следуя современным тенденциям и выполняя требования по расширению номенклатуры наплавляемых деталей, сокращению времени затрачиваемого на переналадку и расширяя технологические возможности установок для плазменной наплавки в ОАО ТНИТИ, впервые, была разработана, изготовлена и внедрена в производство установка с УЧПУ (устройство числового программного управления) для плазменной наплавки наружных цилиндрических поверхностей диаметром до 170 мм и длиной до 800 мм.

Установка позволяет выполнять наплавку переменным током, переменным током с импульсами специальной формы с частотой до 50 Гц, постоянным током прямой или обратной полярности в импульсном режиме в диапазоне частот до 15 кГц, постоянным током прямой или обратной полярности с использованием в качестве присадочного материала проволоку диаметром до 3 мм. Наплавка может выполняться с присадкой одной проволоки по следующим схемам:

- плазменной дугой с электрически нейтральной присадочной проволокой;

- комбинированной (двойной) плазменной дугой с токоведущей присадочной проволокой;

- плазменной дугой с электрически нейтральной подогреваемой присадочной проволокой;

- комбинированной (двойной) плазменной дугой с токоведущей подогреваемой присадочной проволокой.

Данные схемы позволяют выполнять наплавку материалов с различными теплофизическими свойствами при сохранении высокой производительности процесса.

Наплавка комбинированной (двойной) плазменной дугой с токоведущей подогреваемой присадочной проволокой обеспечивает повышенную производительность плавления присадочной проволоки при минимальном разогреве наплавляемой детали [2].

Схема включения источников питания, характеризующая возможные комбинации процесса наплавки, представлена на рис. 1.

Для питания основной, дополнительной плазменных дуг и подогрева проволоки применёны инверторный источник TETRIX 350 AC/DC PLASMA и два инверторных источника TETRIX 300 CLASSIC аctive Arc производства EWM AG (Германия).

Источники питания позволяют выполнять наплавку импульсной дугой в широком диапазоне частот с возможностью задания времени импульса, паузы между импульсами, времени нарастания и спада тока импульса, что существенно расширяет технологические возможности установки, позволяет управлять процессами подогрева, плавления и переноса присадочного материала, управлять тепловложением в наплавляемое изделие.

Рис. 1 Схема процесса плазменной наплавки: ИП 1 - источник питания основной плазменной дуги; ИП 2 - источник питания дополнительной плазменной дуги; ИП 3 - источник питания подогрева проволоки; 1 - наплавляемая деталь; 2 - наплавленный металл; 3 - плазмотрон; 4 - присадочная проволока; 5 - механизм подачи присадочной проволоки

Для задания, стабильного поддержания и контроля расходов плазмообразующего и защитного газов, как одних из основных параметров режима плазменной наплавки, оказывающих значительное влияние на энергетику процесса [4, 5], в ОАО ТНИТИ был спроектирован и изготовлен блок управления расходом газов БУГ-2. Блок разработан с применением пропорциональных клапанов и обеспечивает поддержание заданных значений расходов с точностью до 0,05 л/мин. Управление блоком осуществляется как в ручном режиме, так и по команде УЧПУ, в том числе по заданному УЧПУ закону.

Система управления установки обеспечивает работу всех исполнительных устройств и механизмов, контроль и поддержание режимов ее работы в соответствии с управляющей программой, загруженной в память устройства управления. Позволяет задавать значения параметров режима всех трёх источников питания, задавать значения расходов газов, а также изменять установленные значения по заданному закону в процессе наплавки.

Устройство управления обеспечивает реализацию сложных траекторий перемещения наплавочной головки, позволяющих управлять процессами нагрева поверхности наплавляемой детали, плавлением и переносом присадочного материала, формированием наплавленного слоя.

Устройство управления установки выполнено на базе УЧПУ «FMS-3000». Использование УЧПУ в качестве устройства управления позволило, с одной стороны, обеспечить стандартизацию подходов к программированию системы управления работой установки и другого станочного оборудования с УЧПУ, а с другой, благодаря наличию у УЧПУ соответствующих стандартных интерфейсов, - возможность включения установки в состав автоматизированных производственных линий наряду с другим технологическим оборудованием в рамках решения задачи общей автоматизации производственного цикла.

Помимо УЧПУ «FMS-3000» в систему управления входит станочный пульт управления «СР-044М», обеспечивающий удобство и простоту оперативного управления работой установки, ряд вспомогательных узлов и блоков, поддерживающих работу УЧПУ, электроприводы исполнительных устройств установки, релейные коммутаторы и управляемые блоки питания. Конструктивно основные узлы и блоки системы управления размещены в корпусе пульта УЧПУ и электрошкафе.

Устройство управления установкой позволяет работать как в автоматическом режиме, параметры которого определяются управляющей программой, находящейся в данный момент в памяти УЧПУ, так и в режиме ручного управления исполнительными устройствами установки.

Программирование работы установки осуществляется аналогично программированию большинства станков с числовым программным управлением путем загрузки в память устройства управляющей программы, представляющей собой текстовый файл с набором соответствующих стандартных функций, состав, последовательность и параметры которых однозначно задают логику и режимы работы наплавочной установки.

Управляющая программа может быть введена или откорректирована непосредственно с клавиатуры пульта УЧПУ, либо написана на внешнем компьютере и загружена в память УЧПУ с переносного носителя информации. В целях обеспечения безопасности работы наплавочной установки и предотвращения выхода из строя ее узлов в результате ошибок при эксплуатации в системе управления на аппаратном и программном уровнях реализован рад блокировок работы установки при возникновении нештатных ситуаций.

Сбои в работе автоматики и прочие нештатные ситуации в работе установки индицируются на дисплее УЧПУ и, в зависимости от характера неисправности, вызывают останов программы или аварийный останов работы установки.

Кроме того, в УЧПУ находится программа контроля и регистрации параметров режима наплавки. Процесс работы установки фиксируется в файле отчета, хранящемся в памяти УЧПУ. Файл отчета представляет собой текстовый файл, в котором фиксируются дата и время начала записи, а также значения основных параметров режима наплавки.

Установка разработана без применения унифицированных узлов. Все исполнительные механизмы установки оригинальные, спроектированы под конкретные условия работы установки и учитывают технологические особенности процесса плазменной наплавки, в том числе повышенную тепловую нагрузку и интенсивное излучение сжатой дуги.

Вращение наплавляемой детали осуществляется серводвигателем через редуктор. Перемещение наплавочной головки вдоль оси наплавляемой детали, а также её поперечные колебания при наплавке выполняются серводвигателем посредством шарико-винтовой пары. Применение серводвигателей позволило обеспечить точность позиционирования наплавочной головки относительно наплавляемой детали в пределах 0,01 мм. Механизм подачи присадочной проволоки, также приводится в действие серводвигателем, что позволяет задавать требуемые значения скорости подачи и изменять её в процессе наплавки по заданному УЧПУ закону.

Механизм подачи присадочной проволоки рассчитан на работу с проволокой диаметром до 3 мм, оснащён устройством правки проволоки перед подачей в зону наплавки. Регулировка и настройка наплавочной головки осуществляется вручную по трём координатам относительно наплавляемого изделия. Схема и диапазоны регулировок наплавочной головки указаны на рис. 2. Общий вид наплавочной головки приведён на рис. 3.

Рис. 2 Схема и диапазоны регулировок наплавочной головки: 1 - плазмотрон, 2 - мундштук, 3 - присадочная проволока, 4 - деталь

Рис. 3 Общий вид наплавочной головки

Краткие технические характеристики установки приведены в табл. 1. Общий вид установки приведён на рис. 4.

Рис. 4 Общий вид установки для плазменной наплавки с ЧПУ

Краткие технические характеристики установки

Установка позволяет наплавлять детали как из чёрных так и цветных металлов, в том числе из алюминиевых сплавов. Применение УЧПУ существенно расширило её технологические возможности, в частности позволило выполнять наплавку деталей типа «шнек» по спирали, автоматически изменяя в процессе шаг между витками, размах и частоту поперечных колебаний согласно заданной программе. За счёт применения УЧПУ снижены затраты на переналадку, обеспечена стабильность качества и размерная стабильность наплавленного слоя, а также возможность включения установки в состав автоматизированных производственных линий наряду с другим технологическим оборудованием в рамках решения задачи общей автоматизации производственного цикла.

Опыт эксплуатации установки в условиях серийного производства показал правильность выбранного подхода к разработке установок данного типа. Обслуживание установки и её программирование выполняет заводской персонал, обслуживающий металлообрабатывающие станки с ЧПУ. Благодаря возможности работы установки в полностью автоматическом режиме с блокировкой коррекции параметров режима к работе на установке привлекается неквалифицированный персонал, исключается человеческий фактор при задании и изменении параметров режима в процессе работы.

Список литературы

1. Чвертко А.И. Основы рационального проектирования оборудования для автоматической и механизированной электрической сварки и наплавки. Киев: Наукова думка, 1988. 240 с.

2. Гладкий П.В., Переплётчиков Е.Ф., Рябцев И.А. Плазменная наплавка. К.: «Екотехнологiя», 2007. 292 с.

3. Данилов А.И. Плазменная наплавка постоянным током обратной полярности. Л.: ЛДНТП, 1981. 20 с.

4. Папенков В.А., Рыбаков А.С. Экспериментальное исследование энергетических характеристик плазмотрона обратной полярности. Сборник научных и научно-методических работ кафедры «Сварка, литье и технология конструкциионных материалов». Тула: ТулГУ, 2010. C. 76-79.

5. Рыбаков А.С., Сидоров А. А., Папенков В.А. Изучение энергетических характеристик плазматрона обратной полярности. Сборник научных и научно-методических работ кафедры «Сварка, литье и технология конструкц. материалов». Тула: ТулГУ, 2013. С. 12-21.

Размещено на Allbest.ru