Тонкоструйная плазменная резка биметаллических композиций (стр. 2 )

Выявлены особенности формирования канала реза при тонкоструйной плазменной резке биметаллических соединений из разнородных материалов с учетом их теплофизических свойств и выбора лобовой поверхности реза, что позволяет управлять характеристиками точности, качества и производительности обработки.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Высокие, критические электро - и нанотехнологии» (г. Тула, 2011 г.), 2ой Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (г. Кемерово, 2011 г.), 3ей Международной научно-практической конференции « Инновации в машиностроении» (г. Барнаул, 2012 г.), 4ой Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (г. Новосибирск, 2013 г.), 6ой Международной научно-технической конференции «Инновации в машиностроении – основа технологического развития России (ТМ – 2014)» (г. Барнаул, 2014 г.).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, списка литературы из 109 наименований, 2 приложений. Общий объем - 181 страница машинописного текста, включая 98 рисунков, 26 таблиц.

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения в учебно-научно-производственной лаборатории «Лазерные и плазменные технологии» ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет».

Диссертационная работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011)» (Проект АВЦП 2.1.2/11449), при поддержке гранта НК-440П «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, по государственному заданию № 000/138, проект № 000.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕЗКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Современные технологии резки металлических материалов основаны на использовании электрофизических процессов. Возможность концентрации энергии в зоне обработки объясняет достигаемые эффекты в обработке различного класса металлических материалов. Использование электрической энергии или специфических физико-химических процессов объясняет принципиальные отличия данных технологий от традиционных технологических методов обработки материалов, основанных преимущественно на механическом воздействии на обрабатываемые материалы. Главные отличия заключаются в следующем [1]:

Электрофизикохимические и комбинированные методы (ЭФХКО) обработки любых материалов независимо от их механических свойств (твердости, вязкости, хрупкости и др.) осуществляется без приложения значительных механических усилий. В большинстве методов обработка производится без механического контакта обрабатывающего инструмента с поверхностью заготовки. При ЭФХКО полностью отсутствует необходимость в применении специальных обрабатывающих инструментов, более твердых и прочных, чем обрабатываемый материал. Соответственно, исключается необходимость передачи значительных механических усилий через систему СПИД, что позволяет упростить кинематику и уменьшить массу оборудования. Во многих случаях обрабатывающий инструмент (в обычном его понимании) вообще отсутствует, а его функции выполняет соответствующим образом сформированный поток электронов, ионов, фотонов и т. д. С помощью ЭФХКО можно выполнить множество технологических операций, не выполняемых методами обработки резанием или давлением. При ЭФХКО сокращается расход инструментальных и абразивных материалов, а в силу возможности концентрации энергии в зоне реза и потери обрабатываемого материала. Возможность механизации и автоматизации рассматриваемых методов создает хорошие предпосылки для программного управления процессом и переход на многостаночное обслуживание при невысокой квалификации оператора, обслуживающего оборудование.

Наряду с комплексом существенных положительных технических, технологических и экономических показателей каждому методу ЭФХКО присущи недостатки и ограничения, обусловленные их природой:

Повышенная энергоемкость по сравнению с обработкой резанием деталей простых форм из обычных конструкционных материалов при сопоставимых показателях производительности и качества поверхности. Отставание массового выпуска дешевого универсального оборудования от процессов совершенствования самой технологии.

Общим положением, которое можно отнести к рассматриваемым методам ЭФХКО, является то, что по сравнению с обработкой резанием эти методы тем перспективнее, чем сложнее форма обрабатываемого изделия и труднее поддается обработке резанием материал детали. Этим положением и определяется общая принципиальная направленность методов ЭФХКО как новых, прогрессивных технологических методов, преимущественно используемых при создании объектов новой техники с использованием новейших материалов, при переходе к новым формам организации производства.

Для достижения поставленной цели необходимо провести сравнительный технико-экономический анализ наиболее перспективных методов резки, применяемых в современном производстве.

Известно, что электрофизикохимические методы ориентированы преимущественно на использование в технологических процессах получения деталей из так называемых труднообрабатываемых механическим резанием материалов. К ним следует отнести нетрадиционные конструкционные материалы – различного рода слоистые металлические композиции, материалы с покрытиями, аморфные и наноструктурированные металлы и сплавы. В связи с этим принятию решения о назначении той или иной технологии для обработки подобного класса материалов должно предшествовать изучение как методов их получения, так и специфики физико–механического и структурного состояния. Это необходимо для понимания процессов, происходящих при обработке в рамках определенного электрофизического метода.

Данная работа посвящена поиску эффективных технологий резки биметаллических композиций, основанных на термических методах обработки, с позиций точности, качества обработки и производительности процесса.

Методы создания биметаллических композиций

Из существующего многообразия технологических методов соединения разнородных материалов, в том числе и листовых металлических композиций, можно выделить технологии, основанные на сварке разнородных металлов при прокатке [2] и метании пластин при помощи взрыва [3-20].

Технология прокатки слоистых композиций заключается в многопрокатном пластическом деформировании предварительного собранного пакета из листовых материалов. Согласно [2] прочное соединение материалов обеспечивается за счет реализации в различной степени рекристаллизационного, пленочного и диффузионного механизмов, возникающих при развитии значительных пластических деформаций в зоне стыка. При рекристаллизационном механизме сварка листовых материалов осуществляется за счет рекристаллизации зерен на границе стыка вследствие локального повышения температуры при деформировании. Возникновение значительных температур на границе стыка также способствует развитию диффузионных процессов, обеспечивающих формирование прочной сварной зоны. Развитие пленочного соединения возможно при наличии относительно хрупких оксидных пленок на поверхности соединяемых металлов. При значительных давлениях, возникающих при прокатке, пленки разрушаются, обеспечивая надежное соединение ювенильных, очищенных от окисных пленок, поверхностей металлов [16].

Если метод прокатки для обеспечения достаточной прочности соединения требует реализации многократного цикла, приводящего в итоге к 5-7 кратному утонению исходного пакета, в то время как соединение листовых материалов при помощи сварки взрывом осуществляется за один технологический цикл. Как и любой технологический метод, сварка взрывом имеет определенную область для реализации и обладает конкретными ограничениями, связанными со спецификой самого процесса. Специфика сварки взрывом, позволяющая рассматривать ее как технологический метод получения слоистых композиций, заключается в следующем [4]:

Возможность высокопрочного соединения разнородных металлов, диффузионная сварка которых и сварка плавлением не возможны. Сварка взрывом позволяет получать композиции соединений из металлов с резко различающимися температурами плавления. Например, соединения алюминия с Тпл = 660°С и тантала с Тпл = 2996°С. Особенности процессов, имеющих место при сварке взрывом, позволяют соединять металлы с прочными поверхностными пленками, разрушить которые для создания контакта металлов по ювенильным поверхностям не представляется возможным при использовании метода прокатки. Соединение пар металлов, таких как сталь – титан, сталь – алюминий, медь – титан, медь – алюминий, образующих интерметаллидные прослойки, возможно лишь при развитии высоких температур в зоне стыка в узком временном диапазоне, что реализуется при сварке взрывом. Технологический диапазон толщин плакирующего металла при сварке взрывом составляет от 0,03 до 30 мм, что является весьма привлекательным фактором с целью получения слоистых композиций, предназначенных для использования в различных отраслях промышленного производства. Как отмечает автор [4] нижняя граница толщины плакирующего материала связана с техническими сложностями установки тонкой фольги на требуемом зазоре, а также с проблемами точного расчета слоя взрывчатого вещества для обеспечения заданной скорости детонации. В тоже время максимальные значения толщин плакирующего металла ограничены физическими процессами сварки взрывом. Так, время существования сжимающих напряжений на границе раздела соединяемых материалов растет пропорционально увеличению толщины свариваемых пластин, а время застывания жидкой фазы в сварном шве пропорционально квадрату толщины. Все это приводит к уменьшению размера зоны сварки при увеличении толщин свариваемых металлов. Данное обстоятельство является особенно критичным для металлов с низкой теплопроводностью и температурой плавления. Высокая скорость развития процессов на границе стыка соединяемых металлов при сварке взрывом накладывает ограничения на развитие диффузионных процессов, что обеспечивает максимальное сохранение химического состава металлов вблизи зоны сварного шва.

Техническое ограничение сварки взрывом как технологического метода связано со следующими обстоятельствами: