Теплофизические и акустические особенности процессов электроплазменной обработки металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

/'г На правах рукописи

£

Анахов Сергей Вадимович

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Екатеринбург 1996

Работа выполнена в Уральском государственном техническом университете - УПИ, г. Екатеринбург.

Научный руководитель - доктор физико - математических наук,

профессор П.В. Волобуев

Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук,

профессор И.Г. Коршунов, кандидат технических наук, доцент Д.В. Пономаренко

Ведущая организация - Институт теплофизики УрО РАН, г. Екатеринбург.

Защита состоится 1996 г. в "¿ ^часов на заседа-

нии специализированного совета К 063.14.11 при Уральском государственном техническом университете - УПИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " им^М 996 г.

Отзыв на автореферат, заверенный ученым секретарем и скрепленный гербовой печатью, прошу направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2,УГТУ - УПИ, секретарю специализированного совета.

Ученый секретарь

специализированного совета, я/.

кандидат физико - математических наук -у/Ьр Е.В. Кононенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В ряду важнейших задач развития современной науки я техники существенное место занимает исследование взаимодействия низкотемпературной плазмы с веществом, вторичных сопутствующих явлений, изучение режимов обработки материалов, влияния их параметров на эффективность применимости и физико - химические последствия воздействия.

До настоящего времени в области исследования теплофизики процессов термообработки накоплен немалый теоретический опыт. Вместе с тем, остается актуальной задача исследования высокоскоростной термообработки, позволяющей повысить эффективность и производительность процесса за счёт использования эффектов сканирования, применения нестандартных видов и законов перемещения теплового источника, изучения неканонических типов взаимодействия теплового источника и среды. Актуальной является также задача исследования аэродинамического шума при плазменной обработке, таких малоизученных аспектов проблемы, как влияние термодинамических условий, резонансные явления в шумовом спектре.

Комплексное исследование взаимодействия низкотемпературной плазмы с веществом связано с необходимостью обеспечения безопасности как самого процесса, так и применяемого плазменного оборудования. Одним из существенных факторов, в этой связи, становится требование снижения аэродинамического шума при плазменной обработке, сужения его спектра в области высоко -ультразвукового частотного диапазона, существенно зависящих от основных параметров воздействия: подводимой мощности, температуры, скорости обработки, давления плазмообразующего газа (ПОГ)идр.

Целью настоящей работы является исследование теплофизических особенностей электроплазменной термообработки со сканированием, закономерностей образования и распространения звукового поля при работе плазмотрона. Реализация цели исследования включает следующие аспекты:

- изучение закономерностей изменения температуры и их влияния на свойства материала в зоне термообработки для различных типов сканирующего движения с учетом частотного фактора;

• получение комплекса параметрических зависимостей, позволяющих определять условия и прогнозировать результаты процесса;

- разработка методики эксперимента электроплазменной термообработки и исследование основных параметров процесса на различных материалах;

- предложение перспективных способов термообработки металлов;

- разработка комплекса экспериментальных методов исследования акустического поля, образующегося при работе плазмотрона;

- выявление основных источников генерации звука и исследование механизмов его образования;

- предложение условий применения и комплекса технологических и аппаратных решений, обеспечивающих эффективное использование плазмотронов с точки зрения акустической безопасности.

Научная новизна. В диссертации представлены теплофизические модели поверхностного нагрева материала при сканирующем движении теплового источника с учетом частотного фактора и геометрии зоны термического влияния, а также специфики термообработки плазменной струей.

Выявлены эффекты неравномерности свойств по ширине и глубине термообрабатываемой зоны при синусоидальном сканировании и существенное снижение их роли при линеаризации скорости сканирования.

Показаны существенное влияние малых частот сканирования на свойства материала и необходимость учета частотного фактора в большом диапазоне значений.

Предложена формула зависимости размеров структурной составляющей антифрикционной латуни от скорости охлаждения после переплава, существенно определяющая свойства материала.

Выявлено наличие дискретных тонов в звуковом и ультразвуковом диапазоне спектра излучения плазмотрона, определены основные источники генерации шума.

Предложена физическая модель резонансного возбуждения пульсаций турбулентного потока плазмообразующего газа на собственных частотах газовоздушного тракта ( ГВТ ) плазмотрона. Аналитически определены частоты и амплитуды резонансных пиков в спектре звукового давления.

Практическая ценность. В результате исследований получены теоретические закономерности процессов термообработки металлов со сканированием, удобные для инженерных расчетов параметров электроплазменного поверхностного упрочнения. Получены важные результаты, связанные с влиянием термического воздействия на свойства антифрикционных латуней. Предложены перспективные направления развития данного метода термообработки, Разработана и внедрена в промышленное производство установка термоупрочнения металлов типа УТМ - 3. Представлены методы снижения шума при проектировании плазмотронов. С их учетом разработана и широко внедрена в производство серия малошумных плазмотронов прямого действия [ 6 ]. Их использование наряду с оригинальными экранирующими, шумопоглощающими [ 5 } насадками, а также устройством для химико - термической обработки [ 7 ] позволяет применять процессы электроплазменной

обработай металлов с высокой степенью эффективности и безопасности. Основные положения, выносимые автором на защиту:

- теплофизические модели нагрева поверхности движущимся тепловым сканирующим источником для синусоидального и линейного закона сканирования;

- закономерности изменения температуры в зоне термического влияния и эффекты неравномерности свойств термообрабагываемого слоя металла;

- теоретические зависимости условий применения и взаимосвязь параметров процессов термоупрочнения со сканированием;

- экспериментальные и теоретические результаты исследования параметров термоупрочнения среднеуглеродистой стали и влияния скорости охлаждения антифрикционной латуни после переплава на размер структурной составляющей;

- спектральные и пространственные характеристики звукового поля плазмотрона и основные источники образования звука;

- физические модели генерации дискретных тонов в шумовом спектре плазмотрона.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

Международном конгрессе "Защита - 95" ( Москва, Россия, 20 - 24 ноября 1995 г,);

XIV всемирном конгрессе по промышленной безопасности и здоровью (Мадрид, Испания, 22 - 26 апреля 1996 г.);

49 ежегодной ассамблее Международного Института сварки (Будапешт, Венгрия, 31 августа - 4 сентября 1996 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных статей и тезисов докладов, получено 2 авторские-свидетельства и 1 патент на изобретение.

Построение диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы из !65 наименований. Работа содержит 181 страницу, в том числе 11 таблиц, 42 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко сформулированы проблемы, стоящие перед исследователями, работающими в данных областях науки и техники, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные задачи работы и выносимые на защиту результаты.

Первая глава представляет собой обзор основных положений и результатов исследований процессов термообработки металлов и акустического фактора при работе плазмотронов. Проведен сравнительный анализ основных методов термической обработки материалов. Представлены условия их применения, общие закономерности и различия в протекании теготофизических процессов и их влияние на свойства обрабатываемого материала. Показана высокая эффективность, с точки зрения производительности, управляемости, а также возможности получения особых свойств материала, метода поверхностной плазменно-дуговой термообработки со сканированием. При этом отмечается, что проблема эффективной плазменной обработки материалов неразрывно связана с вопросами безопасного использования плазмотронов, в том числе с проблемой высокого уровня их звуковой мощности (до 135 дБ ). В связи с этим представлены методы исследования акустического поля плазмотронов, а также анализ основных проблем, возникающих при изучении их шумоизлучения.

В результате анализа физических особенностей термообработки переменным тепловым источником выявлены общие закономерности,

определяющие механизмы и кинетику фазовых переходов в силовых и неравновесных условиях, с учетом высоких скоростей нагрева и охлаждения в термическом цикле при обработке концентрированными потоками энергии. Отмечены положительные эффекты использования сканирования поверхности и влияния термоциклирования на структуру термообрабатываемого поверхностного слоя. Выявлено, что путем оптимизации скоростей нагрева и охлаждения, плотности потока энергии, управления пространственным распределением тепловой мощности можно реализовать как различные механизмы термоупрочнения, так и снизить негативные эффекты других методов термообработки.

Представлены методы теплофизического моделирования процессов обработки переменным тепловым источником и анализ соответствующих термических циклов. Имеющимся данным по моделированию процессов сканирующей термообработки свойственны противоречия в определении критических частот сканирования ( от десятков до тысяч герц ), в представлении характера изменения температурных волн в зоне термического воздействия. Имеются также ограничения, связанные с усреднением влияния геометрии упрочняемой зоны и частоты сканирования, с расчетом только установившегося режима, с отсутствием анализа переходных процессов и параметрической связи их основных характеристик. Для разрешения возникших противоречий, а также получения доступных и достоверных данных для практического применения элехтроплазменной термообработки ставится задача более детального рассмотрения теплофизических особенностей данных типов термического воздействия.

Во второй главе изложены результаты авторских исследований теплофизических особенностей электроплазменной поверхностной

обработки со сканированием, а также их практического применения в научных и технологических целях.

Для описания процесса термообработки движущимся плазменно-дуговым источником, управляемым поперечным магнитным полем, предлагается метод расчета температурных полей при характерном синусоидальном законе сканирования. Так как скорость поперечной развертки является переменной, то зона термического воздействия разбивается на области, в каждой из которых в течение времени т = 2г[V действует импульсный тепловой источник с характерной периодичностью, зависящей от соотношения амплитуды сканирования Ь, радиуса пятна нагрева г и координаты поперечного смещения х ( V - скорость поступательного движения источника ). Тогда искомое температурное поле можно получить как суперпозицию температур, создаваемых к данному моменту времени тепловыми импульсами, действовавшими в рассматриваемой точке в предшествовавшие моменты времени. Так, в зоне, отвечающей условию 0 < | х I < Ь - 2г, при больших амплитудах сканирования (Ь > 2г) температурное поле описывается уравнением

Т(х,г, 4-и+(1-пТ-Г,(х)-12(х))-

,_ Г

•лЛ-пТ-ЧМ-ЫхИегЦ -,-—=====

г

-1Ы1~пТ-1[(х)).

•^Д-пТ-^х) • ¡ег&

V

-и^-пТ-г^х)-^))-

•ф-пТ-2Ц(х)-1;2(х) ■ ¡егГс

гд/аО-пТ-

ч

Ф^ о,

<р > о,

а х ), х ) и Т определяются периодичностью теплового воздействия в рассматриваемой зоне.

В случае термообработки поверхности плазменной струей учтено снижение плотности энергии в пятне нагрева при отклонении плазменного потока от вертикали:

С5(Х 1) =_<Зо(М)-Д>_

гЬ + (Ь2 -ьМ2-5ш2(©0)-1ёа '

где М =-—---, Ь - расстояние от среза сопла плазмотрона

Ь

до поверхности материала. Оценки параметров плазменных струй показывают, поверхность материала находится в зоне действия начального участка струи с углом полурасширения а. Температурное поле определяется аналогичным предыдущему описанию методом с поправками, учитывающими геометрию плазменной струи.

В работе представлены методы оценки параметров плазменно-дуговых тепловых источников и проанализированы предлагаемые теплофизкческие модели. Сравнение с предельно допустимыми

скоростями перемещения источника без сканирования свидетельствует о снижении минимально допустимых скоростей УГСт для процессов со сканированием (рис. 1) в 5 10 раз (исключение составляет нагрев тепловым источником с близкой к предельно допустимой плотностью энергии при низких частотах сканирования £ < 10 Гц ), что позволяет вести процесс термообработки в более широком диапазоне технологических режимов. Особенностью синусоидальной сканирующей обработки является неравномерность нагрева по ширине зоны термообработки, что ведет к неравномерности глубины закалки ( рис. 2 ) и свойств материала. Характер неравномерности зависит от типа теплового источника. При нагреве плазменными струями имеет место более равномерный

нагрев на оси зоны и более быстрый спад температуры при удалении от оси, что приводит к меньшей ширине зоны закалки по сравнению с плазменно-дуговым термоупрочнением. Также снижается и средняя скорость нагрева в наиболее прогреваемой полосе, что закономерно дает большие значения глубины закалки и снижение минимально допустимых скоростей линейного перемещения Угат. При малых амплитудах сканирования эффект, вызванный неравномерностью потока, незначителен.

Частота сканирования играет существенную роль в диапазоне до 500 Гц, при этом возможно появление структурной неоднородности по глубине в результате циклической закалки при частотах менее 50-70 Гц, а эффект отпуска возникает лишь при частотах менее 5 Гц при плотности теплового потока свыше МО7 Вт/м2. Температурное поле в материале носит волновой характер с характерной предельной

глубиной колебаний ш и амплитудой цикла ДТ{- = убывающими с увеличением частоты

дт+ + дт_

ATf

- , ДГ+ и ДТ_ - амплитуды нагрева и охлаждения

в цикле соответственно. Глубина закалки при сканировании прямо пропорциональна времени нагрева W ~ т , в отличие от линейно движущегося теплового источника, когда 1зак ~ -s/t.

Расчеты режимов охлаждения показывают ( рис. 3 ), что во всём диапазоне исследуемых частот ( 2 -s- 1000 Гц ) и глубин закалки соблюдается режим быстрого охлаждения со скоростью, необходимой для получения структуры мелкодисперсного мартенсита, что обеспечивает твёрдость закалённой структуры на уровне 300-5-330 HB.

В работе проанализировано взаимное влияние характерных параметров процесса. Производительность процесса П = 2LVmm аппроксимируется формулой (рис. 4 )

_ A-f0iqg-3

z

где A = const, зависящая от единиц измерения ( А = 1,8-10-9 в диапазоне qo=( 0,1 ч- 7,5>107 Вт/м2).

В обоснование предложения о линеаризации скорости поперечных колебаний во избежание эффектов неравномерности закалки по ширине зоны термического воздействия и структурной неоднородности по глубине автором были проведены исследования теплофизических процессов, соответствующих этому случаю режимов термообработки. Характерные особенности изменения температуры, связанные с изменением цикличности при нагреве и остывании по сравнению с частотой сканирования, представлены на рис. 5. Показано существенное снижение эффекта неравномерности закалки по ширине зоны термического воздействия, причем неравномерность температуры сказывается лишь при частотах 5 -г 20 Гц и в начальные периоды нагрева ( t < 2 с ). Предложены диаграммы и аппроксимационные формулы для расчета температуры, времени нагрева, глубины закалки ( рис. 6 ), границ частотно - скоростных диапазонов в зависимости от параметров процесса. Для расчета глубины закалки можно использовать формулу

где А = 3,1±0.7 , [ч ] - кВт, [ Г] - Гц, [г ] - мм.

Выявленные теоретические закономерности сканирующей термообработки были подтверждены экспериментальными исследованиями на системах плазменно-дугового взаимодействия со сталями среднеуглеродистого класса и антифрикционной латунью. Эксперименты проводились на установке для термоупрочнения металлов типа УТМ - 3 в диапазоне скоростей поступательного движения теплового источника от 5 до 95 мм/с, мощности дуги от

3,2 до 11 кВт, при амплитуде сканирования до 9 мм и частоте 50 Гц. Масса и диаметр (свыше 75 мм) металлических образцов выбирались из условия необходимости обеспечения высокой скорости теплоотвода в металл в модели полупространственного теплового нагрева.Исследования по сканирующей термообработке, проведенные на сталях марок 40Х, Ст. 45, Ст. 50 и 9ХФ, показали увеличение поверхностной микротвердости на 150+250 НВ ( 30^-35 НЯС ) и 20+25 единиц по Шору с неравномерностью величин по ширине зоны. Расчетные и экспериментально измеренные глубины закалки совпадают с точностью ]5+20%. Использование предлагаемой методики для расчета скоростей охлаждения антифрикционной латуни типа ЛМцКНС при поверхностной дуговой термообработке с переплавом наряду с данными экспериментов по охлаждению в изложнице, дифференциально - термическому анализу и развертке температуры в интроскопе ( рис. 7 ) позволило получить формулу зависимости размера структурной составляющей Б от скорости охлаждения V, существенно определяющей свойства латуни

где Оо=15,3 ± 1,6 мкм, п=0,27 ±0,03 (112= 0,76 ).

В работе предложены перспективные тенденции использования сканирующей термообработки и ряд технологических устройств, расширяющих сферу его применения: схемы магнитоуправления перемещением теплового источника и типы сканирующего воздействия, плазмотрон с широким соплом - катодом, устройство для химико - термической обработки [ 7 ] и т.д.

120 т V 1

* ЯШИ

мм/с

1 2 5 Р, кВт

Рис. 1. Зависимость минимально допустимой скорости

линейного перемещения от эффективной мощности

теплового источника (г = 5 мм) и частоты сканирования £

1 - 2 Гц; 2 - 5 Гц; 3 - 10 Гц; 4 - 50 Гц; 5 - 100 Гц; 6 - 500 Гц

-15

10 -г, м

Рис.2. Профиль гермоупрочкённой зоны (г = 5 мм, qc=6•106 Вт/м1):

1 - Ь =15 мм, У,^ 40 мм/с, Г = 5 Гц;

2 - Ь =15 мм, 40 мм/с, 50 Гц;

3 - Ь = 15 мм, У^ 40 мм/с, Г = 200 Гц;

4 - Ь =15 мм, Ушш= 8 мм/с, Г = 5 Гц, расчет для плазменной струи;

5 - Ь =7 мм, У„|п= 40 мм/с, { = 50 Гц

T/C f

Рис.3. Сравнительный график температур остывания и термокинетической диаграммы распада аустенита (Р,фф=5кБт; L=15 мм; г = 5 мм; V=40 мм/с; f = 50 Гц): 1 - х = 14,5 мм, z = 0 мм; 2 - х = О мм, г - 0 мм; 3- х = 5мм, z = 0,8 мм; 2 - х = 5мм, z = 0mm;

Рис.4. Зависимость производительности П = 2ЬУ^П от

максимальной глубины закалки z: q0=8-10< (1,2),7-Ю6 Вг/м3( 3,4); f = 50 Гц; 200 Гц ( 2,4)

Рис.5. Термические циклы температуры в различные периоды нагрева и остывания ^ + с!£; <Й = 0,03 с, 11 = 0,04 с (Т1), Хг = 7,66 с ( Т2), 1з = 20,04 с (ТЗ )

(Г = 50 Гц, Уу = 0,04 м/с, Ь = 0,015 м, ц = 2 кВт, с! = 1 см )

Рис.6. Зависимость глубины закалки г от мощности источника q и скорости Уу (VI = 0.04 м/с, У2 = 0.08 м/с,УЗ = 0.15 м/с, У4 = 0.3 м/с)

Рис.7. Зависимость размера структурной составляющей от скорости охлаждения

В третьей главе описаны результаты исследований звукового поля, генерируемого плазмотроном. Представлено описание механизмов генерации шума, а также практические методы по его снижению до нормируемых значений.

Для исследования спектральных ( уровня звукового давления Ьт, уровня звука Ьа, частоты Г ), энергетических ( уровня звуковой мощности ЬР и интегральной мощности Р ) и пространственных ( показателей направленности излучения вта* ) характеристик звукового поля был создан комплекс экспериментальных методов, включающий измерения точным методом в условиях диффузного звукового поля в реверберационной камере, ориентировочным - в режиме реального процесса работы плазмотрона и пространственные измерения в заглушённой камере. Спектральные характеристики измерялись в 1/3 октавном диапазоне частот и рассчитывались по

спектру в нормируемых диапазонах слышимых ( 63 Гц - 8 кГц ) и ультразвуковых (1 ] ,2 -100 кГц) частот.

В результате экспериментальных исследований на рабочих "горячих" и модельных "холодных" струях, создаваемых плазмотронами прямого действия типа ПВР, были выявлены характерные особенности шумоизлучения - высокий общий уровень звукового давления (до 125 дБ ), превышающий нормируемые значения на 4+7 дБ в области инфразвуковых и низких частот ( до 1 кГц ) и на 30+35 дБ на низких частотах ультразвукового диапазона (8+16 кГц ) - рис. 8 ; наличие дискретных тонов в звуковом спектре, существенно зависящих от геометрических параметров соплового узла плазмотрона и определяющих общий уровень звуковой мощности; направленный характер звукоизлучения со средним превышением уровня звукового давления в диапазоне телесного угла от 38 до 54° на 20+25 дБ (рис. 9 ).

Газодинамический расчет параметров потока плазмообразующего газа при течении по газовоздушному тракту плазмотрона показал, что течение газа носит турбулентный характер (Яе = 2,3-103+ 5,2-Ю4), приводящий к появлению областей интенсивных пульсаций потока с частотой, зависящей от геометрии тракта, и вихрей, образующихся на кромках конструктивных элементов. На основе анализа спектрограмм звукового поля и геометрии тракта была разработана модель плазмотрона как колебательной системы, связывающая появление дискретных тонов в спектре шумоизлучения с механизмом резонансного самовозбуждения турбулентных пульсаций газового потока на собственных частотах газовоздушного тракта с последующей передачей энергии звуковых колебаний и их излучением из сопла плазмотрона. Анализ влияния акустических масс и жесткостей различных участков газовоздушного тракта на частоту появления первой гармоники в звуковом спектре позволил выделить

определяющие элементы резонансной системы, связанные с сопловым узлом плазмотрона. Модель позволяет предсказывать частоты ы и амплитуды Ьр дискретных тонов в звуковом диапазоне частот в зависимости от геометрии соплового узла и параметров газового потока (рис. 10 ):

® 10,20

где ©]

к2 .

2

к2 .

«2 _

пЬ-

42

гт и к.

акустические массы и жесткости связанных объемов ГВТ.

Появление дискретных частот в ультразвуковой части спектра связывается с резонансными явлениями в цилиндрической части соплового узла и аэродинамическим шумом сверхзвукового ядра струи, связанным с механизмом обратной связи, создающим излучение дискретного тона. Физическая модель, рассматривающая сопловой канал как волновод, излучающий в открытое пространство, позволила описать появление резонансных пиков и уровень звуковой мощности в ультразвуковой части спектра (рис. 11)

Ьр=20

кё-Р

+о'

2Б

е

Wo■pc (1+е)2 + х

-ткс!

где \Уо=10-12 Вт, Р+о, р - давление и плотность ПОГ; к = 2л/Я -волновое число; (1 - диаметр сопла плазмотрона, с - скорость звука, Б - площадь поверхности на измеряемой сфере; ш = 0,45 , 0 и % -параметры, зависящие от геометрии канала сопла.

Рассмотрение механизмов генерации аэродинамического шума струи позволило учесть влияние температуры на уровень звуковой мощности:

ЛЬР = при М < 0,5;

L,n,

ДБ 110

100 90 80

70] i : i i_____i i i__

ОД 0,5 1 2 5 10 20 50 f кГц ЮС

Рис. 8. Спектральный уровень звукового давления плазмотрона ПВР :

1 - на "горячей" струе ПОГ ( I = 300 A, U = 200 В, Р„=0,3 МПа);

2 - на "холодной" модельной струе ( Рвх=0,6 МПа ); 3,4 - нормирующие кривые по ГОСТ 12.1.003-83 и ГОСТ 12.1.001-83

Рис.9. Диаграмма направленности звукового поля плазмотрона: 1- 3 кГц; 2 - 8 кГц; 3-80 кГц

Рис. 10. Узкополосный спектр звуковой мощности:

1 - плазмотрон типа ПВР 402;

2 - плазмотрон с профилированным ГВТ;

3 - расчет согласно модели "ГВТ - резонансная система"

Рис. 11. Уровень звуковой мощности плазмотрона (Р„=0,5 МПа):

1 - измеренный в ультразвуковом диапазоне частот;

2 - расчет согласно модели "сопловой канал - резонансный излучатель"

ЛЬр = 20^— при 0,5 < М < 1,5;

Тс

где Тк и Тс - температуры "горячей" и "холодной" струй соответственно. Предлагаемые формулы предсказывают увеличение мощности на 10-И 5 дБ для "горячей" струи, что в целом соответствует экспериментальным данным.

Представленные данные исследований позволили выработать рекомендации по снижению шума плазмотронов:

1)борьба с резонансными явлениями в источнике образования путем:

а)профилирования газовоздушного тракта плазмотрона во избежание резких перепадов площадей поперечного сечения;

б)изменения формы катодного узла с целью смещения резонансных пиков в ультразвуковую часть спектра и снижения их амплитуды;

в)оптимизации распределения газового потока при ручной и полуавтоматической обработке плазмотронами с внешним воздушным охлаждением соплового узла;

2)шумологлощение на пути распространения звука за счет применения звукопоглощающих насадков и звукоизолирующих экранов.

На их основе разработана и внедрена в производство серия плазмотронов [ 6 ] с пониженным на 8+12 дБ общим уровнем шумоизлучения, а также ряд экранирующих и звукопоглощающих устройств [ 5 ], позволяющих снизить общий уровень шума на 5+15 дБ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.Представлены теплофизические модели, описывающие высокопроизводительные процессы сканирующей электроплазменной

термообработки с учетом геометрии зоны теплового воздействия и частотного фактора. Показано, что при синусоидальный закон сканирования приводит к появлению эффектов неравномерности свойств по ширине и глубине упрочняемой зоны. Частотный фактор играет при этом существенную роль до частот порядка 500 Гц, приводя при малых частотах ( менее 10 Гц ) и величинах тепловой мощности к эффектам термоциклирования с большой амплитудой ( в сотни градусов ), способным существенно повлиять на свойства термообрабатываемого слоя.

2.Установлено, что негативную роль эффектов синусоидального сканирования можно существенно снизить за счет линеаризации скорости поперечной развёртки сканирующего движения теплового источника. Предложены способы описания процесса и технологические методы реализации данного и других типов сканирования.

3.Представлены аппроксимирующие формулы и графики, позволяющие оценивать изменение теплсфизических характеристик зоны теплового воздействия и прогнозировать результаты термообработки.

^Экспериментальные исследования подтверждают основные выводы теплофизического моделирования процессов электроплазменной термообработки. Результаты моделирования совместно с экспериментальными исследованиями позволили проанализировать в широком диапазоне скорости охлаждения антифрикционной латуни типа ЛМцКНС после переплава а получить формулу определения размеров её структурной составляющей, существенно влияющих на свойства материала.

5.Разработан комплекс методов по исследованию спектральных и пространственных характеристик акустического поля, генерируемого плазмотроном.

6.Показано, что спектр звукового излучения характеризуется высоким уровнем звукового давления, превышающим ( до 35 дБ ) нормируемые значения, а также наличием дискретных тонов в звуковом и ультразвуковом диапазоне частотного спектра. Выявлены основные источники генерации шума. Установлено, что появление пиков в спектре звуковой мощности связано с эффектом резонансного возбуждения пульсаций турбулентного потока плазмообразующего газа на собственных частотах газовоздушного тракта плазмотрона. Предложены физические модели, позволяющие предсказывать появление резонансных пиков и их амплитуду в спектре шумоизлучения на основе расчета собственных частот акустических колебательных объемов плазмотрона и учета параметров газового потока.

7.Предложены методы и технологические устройства, позволяющие снизить уровень шума как в источнике его генерации ( при проектировании плазмотронов ), так и на пути распространения ( при использовании экранирующих и звукопоглощающих устройств ), защищенные авторскими свидетельствами и патентами.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Метод расчета температурных полей в процессе плазменной закалки со сканированием / C.B. Анахов, H.H. Алексеенко, Ю.А. Пы-кин, С.И. Фоминых // Теплофизика высоких температур. 1994. Т.32. №1. С.40-43.

2.Анахов C.B., Пыкин Ю.А., Фоминых С.И. Прикладные аспекты линеаризации скорости сканирования в процессе плазменной обработки //Сварочное производство. 1996. Л°1. С.12-15.

3.Пыкин Ю.А., Анахов C.B. Факторы снижения шумов при работе плазменного оборудования // Сварочное производство. 1996. № 4. С.26-27.

4.Анахов C.B., Фоминых С.И. Влияние скорости охлаждения после переплава на структуру антифрикционной латуни // МиТОМ. 1996 (в печати)

5.A.c. 1436350 СССР, МКИ2 В23К. Плазмотрон / Ю.А.Пыкин, А.Ю. Савиных, И.Д. Ларионов, П.А. Коваль, В.М. Пушкарев, C.B. Анахов (СССР).№4146280/25-27. Заявлено 18.07.86.

6.А.С. 1370893 СССР, МКИ2 В23К. Плазмотрон / Ю.А. Пыкин, C.B. Мерекалов, C.B. Анахов и др. ( СССР ). № 4045025. Заявлено 30.12.85.

7. Положительное решение по заявке о выдаче патента на изобретение № 93019122/02 ( 018732 ) С23С 8/36. Устройство для химико -термической обработки поверхности металлических материалов / Пыкин Ю.А., Ларионов И.Д., Фоминых С.И., Анахов C.B. ( СССР ). Заявлено 14.04.93. Решение о выдаче от 20.05.96.

8. Исследование влияния скорости охлаждения на структуру антифрикционной латуни / С.И. Фоминых, C.B. Анахов // Конструирование и технология изготовления машин: Реф. сб. трудов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1995. С. 112 - 113.

9. Анахов C.B., Фоминых С.И. Влияние активных газовых компонент на процесс плазменной термообработки // Конструирование и технология изготовления машин: Реф. сб. трудов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1995. С. 113.

10. Thermal simulation and applied conclusions of surface hardening by scaning plasma arc / S.V. Anahov, S.I. Fominych // 9th International Conference on Surface Modification of Metals by Ion Beams. San Sebastian , Spain , September 4-8. 1995.

11. Protection and metal surface modification during the process of arc -plasma heat treatment / S. Anakhov, Yu. Pyckin, S. Phominych // The Second International Congress & Exhibition on Anti - Corrosion Protection - 95: Abstracts. Moscow, Russia, November 20-24. 1995. P. 192193.

12. Reduction of the plasmotron noise / Yu.A. Pyckin, S.V. Anahov // XIVth World Congress on Occupational Safety and Health: Abstracts. Madrid, Spain, April 22-26. 1996. P.537.

13. Анахов C.B., Фоминых С.И. Влияние характера движения теплового источника в процессе плазменнодугового переплава антифрикционных латуней и термообработки сталей на структуру приповерхностного слоя // Повышение качества отливок: Тезисы конференции литейщиков Уральского региона. Центр научно-техн. инф. Екатеринбург, 1996. С. 38-39.

Дотазсгло г. зтетагь 2S.IG.9f. wo.-, тс CfeC4 I/I6

Б7':пга тапогрп|Т)с;.сал 'Ъгаока.1 пе^гъ Усп.п.я. 1,03

Уч.-ззд.л. I,Io 'una: ICO Згказ 3Gu ЗЗооппатно