Том 26 № 3 2024 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Сухов А.В., Сундуков С.К., Фатюхин Д.С. Сборка резьбовых и клеерезьбовых соединений с наложением ультразвуковых колебаний.................................................................................................................................................. 6 Барабошкин К.А., Адигамов Р.Р., Юсупов В.С., Кожевникова И.А., Карлина А.И. Термомеханическая прокатка при производстве обсадных труб (обзор исследований)................................................................................. 24 Двиведи Р., Соматкар А., Чинчаникар С. Моделирование и оптимизация процесса накатывания роликом Al6061-T6 для достижения минимального отклонения от круглости, минимальной шероховатости поверхности и повышения ее микротвердости....................................................................................................................................... 52 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов шлифования рельсов с применением нового скоростного электропривода.................................................................. 66 Карлина Ю.И, Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Оценка возможности контактно-стыковой сварки оплавлением труб из теплоустойчивой стали 15Х5М............................................................................................................................ 79 Гимадеев М.Р., Стельмаков В.А., Шеленок Е.А. Жизненный цикл изделия: мониторинг процессов механической обработки и фильтрация виброакустических сигналов.......................................................................................... 94 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства частотных характеристик динамической системы резания при диагностике износа инструментов...................................................................... 114 Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Осинников И.В. Особенности применения электродовинструментов, изготовленных аддитивными технологиями, при электроэрозионной обработке изделий............... 135 Сидоров Е.А., Гриненко А.В., Чумаевский А.В., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Рубцов В.Е., Утяганова В.Р., Осипович К.С., Колубаев Е.А. Закономерности износа плазмотронов при плазменной резке толстолистового проката на токе обратной полярности........................................................... 149 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Семин В.О., Панфилов А.О., Утяганова В.Р., Воронцов А.В., Зыкова А.П. Коррозионные характеристики композитов БрАМц9-2/06Х18Н9Т, полученных двухпроволочным электронно-лучевым аддитивным производством........................................................................................................................................................................ 163 Деванган Р., Шарма Б.П., Шарма Ш.С. Исследование характера изменения твердости композиционных материалов с алюминиевой матрицей, упрочненной золой кокосовой скорлупы и красным шламом, с использованием анализа Тагучи..................................................................................................................................................................... 179 Сапрыкина Н.А., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А. Влияние технологических параметров на микроструктуру и свойства сплава AlSiMg, полученного методом селективного лазерного плавления.............. 192 Бурдилов А.А., Довженко Г.Д., Батаев И.А., Батаев А.А. Методы монохроматизации синхротронного излучения (обзор исследований)................................................................................................................................................ 208 Бурков А.А., Дворник М.А., Кулик М.А., Быцура А.Ю. Износостойкость и коррозионное поведение Cu-Ti-покрытий в растворе SBF......................................................................................................................................... 234 Пугачева Н.Б., Быкова Т.М., Сирош В.А., Макаров А.В. Структурные особенности и трибологические свойства многослойных высокотемпературных плазменных покрытий....................................................................... 250 Шарма Б.П., Деванган Р., Шарма Ш.С. Механические свойства экологически чистых гибридных полимерных композитов с джутовыми волокнами и волокнами сиды сердцелистной...................................................................... 267 Корниенко Е.Е., Гуляев И.П., Смирнов А.А., Плотникова Н.В., Кузьмин В.И., Головахин В., Тамбовцев А.С., Тырышкин П.А., Сергачёв Д.В. Особенности тонкой структуры Ni-Al покрытий, полученных методом HV-APS.................................................................................................................................................................. 286 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 298 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 307 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 09.09.2024. Выход в свет 17.09.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 38,5. Уч.-изд. л. 71,6. Изд. № 112. Заказ 175. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 3 2024 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 3 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Sukhov A.V., Sundukov S.K., Fatyukhin D.S. Assembly of threaded and adhesive-threaded joints with the application of ultrasonic vibrations...................................................................................................................................... 6 Baraboshkin K.A., Adigamov R.R., Yusupov V.S., Kozhevnikova I.A., Karlina A.I. Thermomechanical rolling in well casing production (research review)......................................................................................................................... 24 Dwivedi R., Somatkar A., Chinchanikar S. Modeling and optimization of roller burnishing of Al6061-T6 process for minimum surface roughness, better microhardness and roundness................................................................................ 52 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of rail grinding modes using a new high-speed electric drive...................................................................................................................................................... 66 Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Assessment of the possibility of resistance butt welding of pipes made of heat-resistant steel 0.15C-5Cr-Mo................................................................................................................................... 79 Gimadeev M.R., Stelmakov V.A., Shelenok E.A. Product life cycle: machining processes monitoring and vibroacoustic signals fi lterings.................................................................................................................................................................... 94 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Kislov K.V. Information properties of frequency characteristics of dynamic cutting systems in the diagnosis of tool wear....................................................................................................................... 114 Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Shlykov E.S., Muratov K.R., Osinnikov I.V. Features of the use of tool electrodes manufactured by additive technologies in electrical discharge machining of products....................................................... 135 Sidorov E.A., GrinenkoA.V., ChumaevskyA.V., Panfi lovA.O., Knyazhev E.O., NikolaevaA.V., CheremnovA.M., Rubtsov V.E., Utyaganova V.R., Osipovich K.S., Kolubaev E.A. Patterns of reverse-polarity plasma torches wear during cutting of thick rolled sheets..................................................................................................................................... 149 MATERIAL SCIENCE Semin V.O., Panfi lov A.O., Utyaganova V.R., Vorontsov A.V., Zykova A.P. Corrosion properties of CuAl9Mn2/ER 321 composites formed by dual-wire-feed electron beam additive manufacturing................................ 163 Dewangan R., Sharma B.P., Sharma S.S. Investigation of hardness behavior in aluminum matrix composites reinforced with coconut shell ash and red mud using Taguchi analysis............................................................................ 179 Saprykina N.А., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А. The eff ect of technological parameters on the microstructure and properties of the AlSiMg alloy obtained by selective laser melting......................................................... 192 Burdilov A.A., Dovzhenko G.D., Bataev I.A., Bataev A.A. Methods of synchrotron radiation monochromatization (research review).................................................................................................................................................................. 208 Burkov A.A., Dvornik M.A., Kulik M.A., Bytsura A.Yu. Wear resistance and corrosion behavior of Cu-Ti coatings in SBF solution..................................................................................................................................................................... 234 Pugacheva N.B., Bykova T.M., Sirosh V.A., MakarovA.V. Structural features and tribological properties of multilayer high-temperature plasma coatings........................................................................................................................................ 250 Sharma B.P., Dewangan R., Sharma S.S. Characterizing the mechanical behavior of eco-friendly hybrid polymer composites with jute and Sida cordifolia fi bers.................................................................................................................... 267 Kornienko E.E., Gulyaev I.P., Smirnov A.I., Plotnikova N.V., Kuzmin V.I., Golovakhin V., Tambovtsev A.S., Tyryshkin P.A., Sergachev D.V. Fine structure features of Ni-Al coatings obtained by high velocity atmospheric plasma spraying.................................................................................................................................................................... 286 EDITORIALMATERIALS 298 FOUNDERS MATERIALS 307 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 149 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Закономерности износа плазмотронов при плазменной резке толстолистового проката на токе обратной полярности Евгений Сидоров 1, a, *, Артем Гриненко 2, b, Андрей Чумаевский 1, c, Александр Панфилов 1, d, Евгений Княжев 1, e, Александра Николаева 1, f, Андрей Черемнов 1, g, Валерий Рубцов 1, h, Вероника Утяганова 1, i, Ксения Осипович 1, j, Евгений Колубаев 1, k 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, Томск, 634055, Россия 2 ООО «ИТС-Сибирь», Красноярск, Северное шоссе, 16а, 660118, Россия а https://orcid.org/0009-0009-2665-7514, eas@ispms.ru; b https://orcid.org/0009-0002-9511-1303, giga2011@yandex.ru; c https://orcid.org/0000-0002-1983-4385, tch7av@gmail.com; d https://orcid.org/0000-0001-8648-0743, alexpl@ispms.ru; e https://orcid.org/0000-0002-1984-9720, clothoid@ispms.tsc.ru; f https://orcid.org/0000-0001-8708-8540, nikolaeva@ispms.tsc.ru; g https://orcid.org/0000-0003-2225-8232, amc@ispms.tsc.ru; h https://orcid.org/0000-0003-0348-1869, rvy@ispms.tsc.ru; i https://orcid.org/0000-0002-2303-8015, veronika_ru@ispms.ru; j https://orcid.org/0000-0001-9534-775X, osipovich_k@ispms.ru; k https://orcid.org/0000-0001-7288-3656, eak@ispms.tsc.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 3 с. 149–162 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-149-162 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.791.14 История статьи: Поступила: 16 июня 2024 Рецензирование: 22 июня 2024 Принята к печати: 04 июля 2024 Доступно онлайн: 15 сентября 2024 Ключевые слова: П лазменная резка Макроструктура Износ Сопло Электрод Зона термического влияния Плавление металла Параметры резки Финансирование Результаты получены при выполнении комплексного проекта «Создание производства высокотехнологичного оборудования адаптивной высокоточной плазменной резки цветных металлов больших толщин для металлургической, авиакосмической и транспортной отраслей РФ» (соглашение о предоставлении субсидии от 06.04.2022 № 075-11-2022-012), реализуемого ИФПМ СО РАН при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках постановления Правительства РФ от 09.04.2010 № 218. Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034) и ЦКП «НАНОТЕХ» ИФПМ СО РАН. АННОТАЦИЯ Во введении описаны особенности процесса плазменной резки различных металлов и сплавов с использованием плазмотронов с обратной полярностью и особенности резки толстолистового проката. Цель работы: исследование процесса износа плазмотронов, работающих на токе обратной полярности, при резке толстолистового проката алюминиевых и титановых сплавов. Методами исследования являются оптическая и растровая электронная микроскопия, съемка процесса резки и визуальный осмотр элементов плазмотрона после получения образцов. Результаты и обсуждение. В разделе показан внешний вид основных рабочих элементов плазмотрона после резки на различных режимах, приводивших как к стабильному и постепенному изнашиванию, так и к катастрофическому выходу плазмотрона из строя. Представлены результаты структурных исследований основных характерных зон сопел и электродов после резки. Проведенные исследования позволили установить основные причины выхода из строя рабочих элементов плазмотронов, работающих на токе обратной полярности. К причинам катастрофического выхода из строя плазмотронов относятся несоблюдение величины зазора между соплом и электродом и оплавление канала подачи газа в разрядную камеру. Износ сопел и электродов в стабильном режиме может быть интенсифицирован при нештатной работе пусковой дуги, наличии неточностей изготовления и превышении давления газа. В заключении сформулированы основные выводы по результатам проведенных исследований. Описан процесс износа электродов, сопел и корпусных элементов плазмотронов в процессе работы при высоких значениях мощности электрической дуги. Для цитирования: Закономерности износа плазмотронов при плазменной резке толстолистового проката на токе обратной полярности / Е.А. Сидоров, А.В. Гриненко, А.В. Чумаевский, А.О. Панфилов, Е.О. Княжев, А.В. Николаева, А.М. Черемнов, В.Е. Рубцов, В.Р. Утяганова, К.С. Осипович, Е.А. Колубаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 3. – С. 149–162. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-149-162. ______ *Адрес для переписки Сидоров Евгений Алексеевич, аспирант, инженер Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, 634055, г. Томск, Россия Тел.: 8 (382) 228–68–63, e–mail: eas@ispms.ru
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 150 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Введение Плазменная резка различных металлов и сплавов обладает рядом преимуществ для промышленного применения, связанных с высокой производительностью, качеством реза и возможностью резки толстолистового проката [1–3]. Методом плазменной резки эффективно получают заготовки из сталей [4], а также алюминиевых [5], медных [6] и титановых [7] сплавов. При резке возможно как формирование четкого реза под углом 90° к поверхности листа, так и формирование необходимой разделки кромок под дальнейшую сварку конструкций [8]. В основном для плазменной резки применяется оборудование, работающее на токе прямой полярности [9, 10] и имеющее ограничения по резке толстолистового проката. Технология плазменной резки на токе обратной полярности позволяет повысить производительность процесса [11–14], особенно при производстве крупногабаритных заготовок. На сегодняшний день в литературных источниках присутствует достаточно небольшое количество данных по резке листового проката цветных металлов и сплавов толщиной порядка 30…100 мм [15–18]. При этом плазменная резка толстолистового проката обладает рядом сложностей, связанных с высокими значениями тока плазмообразующей дуги и интенсивным её воздействием на рабочие элементы плазмотрона. Помимо исследований, направленных на установление влияния параметров процесса резки на качество поверхности и структурно-фазовые изменения при воздействии плазменной струи на материал [12, 16], необходимо проведение работ в области изменения состояния плазмотрона при резке. Особенно это актуально с точки зрения экономической эффективности плазменной резки на токе обратной полярности, так как для неё характерна меньшая степень изнашивания элементов плазмотронов при эксплуатации [11]. Плазменная резка на токе обратной полярности, несмотря на длительное время работы, является перспективным методом для получения заготовок из толстолистового проката в промышленности. Плазменная резка на токе обратной полярности наиболее актуальна применительно к заготовкам толстолистового проката. Это обусловлено меньшими значениями тока при одинаковой толщине разрезаемых плит в сравнении с резкой на токе прямой полярности. Применяемые для резки на токе обратной полярности системы с полым анодом позволяют получить меньшую плотность тока на его поверхности в сравнении с термохимическими катодами при резке на токе прямой полярности, что также способствует повышению ресурса плазмотронов. По этим причинам плазменная резка на токе обратной полярности для толстолистового проката является более актуальной как с точки зрения экономичности процесса, так и из соображений надежности и долговечности оборудования. В этом направлении сейчас требуется развитие современных конструкторских решений и разработка оборудования для плазменной резки отечественного производства, обладающего рядом преимуществ в сравнении с имеющимися аналогами. В настоящее время в рамках совместного проекта ИФПМ СО РАН и ООО «ИТС-Сибирь» ведется разработка современного оборудования для плазменной резки толстолистового проката цветных металлов и сплавов больших толщин на токе обратной полярности. Целью работы является выявление основных закономерностей процесса выхода из строя рабочих элементов плазмотронов разрабатываемой конструкции в зависимости от различных факторов в процессе резки. Методика исследований Экспериментальные исследования выполнялись на производственном участке в ООО «ИТС-Сибирь» и на экспериментальном оборудовании в ИФПМ СО РАН. Резку осуществляли на плазмотроне с обратной полярностью, разрабатываемом в процессе проведения совместного научно-технического проекта. Схема работы плазмотрона и реализации процесса плазменной резки приведена на рис. 1, а. Резка пластин 1 выполнялась плазменной струей 2, формируемой в среде защитного и плазмообразующего газа 3 за счет горения пусковой дуги 4 на старте процесса и рабочей дуги 5 непосредственно при резке. Подача защитного и плазмообразующего газа 6 в зону резки производится при фиксированном давлении от компрессора. Сопло 7 фиксируется гайкой 8 и служит для формирования плотной струи газа и плазмы 9, формирующей-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 151 EQUIPMENT. INSTRUMENTS ся за счет завихрителя 10 и горения дуги. Дополнительно на плазмотроне разрабатываемой конструкции предусмотрено введение воды 11 в зону резки через отверстие в рабочем электроде 14. Это способствует увеличению качества реза и снижению износа сопла и электрода [19, 20]. Защита от перегрева сопла и электрода производится также постоянным потоком воды 12 через каналы в корпусе 13. Подача воды в плазмотроне устроена таким образом, что поток 13 сначала омывает сопло, затем электрод, после чего проводится частично на выход из плазмотрона и во внутреннюю полость сопла и далее потоком 11 – в рабочую зону. Подвод тока к электроду производится через медный соленоид 15, дополнительно формирующий магнитное поле для фокусирования потока плазмы и электрической дуги. Внутренний корпус плазмотрона 16 с каналами подачи воды и воздуха, изготовлен из фторопласта, а внешний корпус 17 – из стали. Рабочий электрод 14 (рис. 1, б) и сопло 7 (рис. 1, в) изготовлены из меди марки М1. б в г д е ж а Рис. 1. Схема работы плазмотрона на токе обратной полярности (а), внешний вид рабочего электрода (б) и сопла (в), процесса резки в нормальных условиях (г), старта процесса резки (д), процесса внешнего горения дуги (е) и резки с избыточной скоростью (ж): 1 – плита; 2 – плазменная струя; 3 – поток газа; 4 – пусковая дуга; 5 – рабочая дуга; 6 – поток плазмообразующего и защитного газа; 7 – сопло; 8 – внешняя гайка; 9 – вихревые потоки газа и плазмы; 10 – завихритель; 11 – подача воды в полый электрод; 12 – подача охлаждающей воды в корпус плазмотрона; 13 – каналы водяного охлаждения; 14 – электрод; 15 – соленоид; 16 – внутренний корпус из фторопласта; 17 – внешний стальной корпус; 18 – водяной туман; 19 – горение дуги в момент запуска; 20 – внешнее горение дуги Fig. 1. The operational scheme of the reverse-polarity plasma torch (а), the appearance of the working electrode (б) and nozzle (в), the cutting process under normal conditions (г), the start of the cutting process (д), the process of external arc burning (е) and cutting with excess speed (ж): 1 – plate; 2 – plasma jet; 3 – gas fl ow; 4 – starting arc; 5 – working arc; 6 – fl ow of plasma-forming and protective gas; 7 – nozzle; 8 – external nut; 9 – vortex fl ows of gas and plasma; 10 – swirl ring; 11 – water supply to the hollow electrode; 12 – supply of cooling water to the plasma torch body; 13 – water cooling channels; 14 – electrode; 15 – solenoid; 16 – inner casing made of fl uoroplastic; 17 – outer steel casing; 18 – “water mist”; 19 – arc burning at the moment of starting; 20 – external arc burning
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 152 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Работа плазмотрона в стандартном режиме связана с образованием плазменной струи вокруг плазмообразующей дуги (рис. 1, г). Подача воды в зону резки приводит к образованию водяного тумана 18 (рис. 1, г). Наличие водяного тумана при резке ускоряет процесс охлаждения материала и дает возможность резки алюминиевых сплавов без защитной атмосферы в виде азота, так как окисление кромки для них является минимальным, а качество реза – достаточно высоким [19, 20]. Основные сложности при резке возникали на старте процесса, когда происходит зажигание пусковой дуги и далее формирование рабочей дуги 19 с плазменным столбом (рис. 1, д). В данном случае если процесс происходит в штатном режиме и образуется плазменный столб, то дуга закорачивается между листом и электродом, а плазменная струя отключается (рис. 1, г). При наличии проблем на старте возможна реализация эффекта внешнего горения дуги (рис. 1, е), когда зажигание рабочей дуги не поддерживает образования плазменной струи. Резку осуществляли по режимам, характерным для плит алюминиевых и титановых сплавов толщиной 60…100 мм. Отработка и оптимизация режимов резки толстолистового проката цветных металлов производилась ранее в работах [13–16]. Ток электрической дуги составлял от 300 до 370 А, напряжение – от 300 до 400 В, высота плазмотрона над поверхностью плиты при резке – от 16 до 25 мм. Давление газа составляло от 2,0 до 4,0 бар, давление воды в системе до входа в контур охлаждения плазмотрона – 6 бар, зазор между соплом и электродом – от 0,5 до 2,0 мм. Скорость резки – от 250 до 3000 мм/мин. В качестве плазмообразующего газа использовался воздух. Основной целью работы являлось описание характерных картин износа сопел и электродов плазмотрона в процессе эксплуатации и выявление причин их появления. После получения экспериментальных образцов изношенных сопел и электродов плазмотронов в различных режимах из них электроэрозионным методом (станок DK7750) производилась вырезка металлографических шлифов для структурных исследований. Структурные исследования проводились на оптическом микроскопе «Альтами МЕТ 1С», лазерном сканирующем микроскопе Olympus LEXT 4100 и растровом электронном микроскопе Zeiss LEO EVO 50. Результаты и их обсуждение Плазменная резка толстолистового проката на токах более 300 А приводит к значительным повреждениям расходных элементов (рис. 2). Наиболее существенные повреждения происходят в момент запуска процесса при работе пусковой дуги, после чего основным механизмом изнашивания сопла и электрода является эрозия при взаимодействии с газоплазменным потоком. На начальном этапе процесса особое значение имеет точность сопряжения между соплом и электродом, зазор в котором для плазмотрона данной конструкции должен быть примерно 1,0–1,5 мм. При низкой величине зазора повышается риск длительного двойного дугообразования на этапе работы или замыкания к разрядной камере при включении, что может привести к катастрофическому выходу из строя рабочих элементов (рис. 2, в, г). Одной из причин выхода из строя плазмотронов может являться оплавление отверстий в завихрителе, приводящее к резкому повышению температуры в полости между электродом и соплом за счет отсутствия отвода тепла потоком газа (рис. 2, д, е). В результате резко оплавляется металл сопла и электрода и перекрывается отверстие в сопле. Процесс постепенного изнашивания материала сопла и электрода в основном связан с высокотемпературной эрозией при взаимодействии меди с потоком плазмы и газа (рис. 2, ж–м). Этот процесс может дополнительно осложняться работой пусковой дуги при резке (рис. 2, ж, з) или неточностью изготовления элементов плазмотрона (рис. 2, и, к). При средней наработке на отказ более 250–300 пусков расходных элементов (сопло и электрод) в процессе резки толстолистового (до 100 мм) проката несвоевременное выключение пусковой дуги или неточности изготовления могут снизить указанный параметр до 100–150 пусков. Процессы катастрофического выхода из строя плазмотронов приводят к резкому выходу устройства из строя даже при одном включении, их причиной является в основном недостаточный зазор между соплом и электродом.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1