Электротехнологические и механо-металлургические воздействия при наплавке в производстве изделий с заданными свойствами

Актуальность. Спрос на детали с наплавленными рабочими элементами (НРЭ) непрерывно растёт из-за необходимости повышения надёжности и долговечности изделий, роста объёма ремонтного производства (по своим масштабам оно стало соизмеримо с основным). Производство деталей всё чаще сопровождаются освоением дуговых (плазменных) процессов. Однако спонтанный и нестабильный характер переноса металла в межэлектродном промежутке (МЭП), наведения ванны и кристаллизации, низкий коэффициент термического КПД наплавки, часто сводят к нулю многие её достоинства и сужают область применения. Повышенные твёрдость и припуски (более половины наплавленного металла уходит в стружку) затрудняют механическую обработку. Её доля в структуре общей трудоёмкости производства часто превышает 50%. Поэтому при выборе наплавочных материалов исходят не из условия качества металла, а из его лучшей обрабатываемости.

Существующие приёмы активизации тепловых и гидромеханических процессов, используемых в различных технологиях, ориентирует на идею технологического синтеза наплавки с электротехнологическими воздействиями. Реализация этой идеи наталкивается на ряд ограничений, связанных с отсутствием научно обоснованных методов, средств технологического оснащения и режимов обработки металла. Стеснённые условия для применения формообразующих элементов (ФЭ), их недостаточная стойкость (деструкция) и повышенная опасность стекания расплава, также придают проблемный характер комплексного воздействия на металл адаптированных к наплавке.

Цель работы: обеспечить высокое качество формообразования и заданные функциональные свойства деталей машин и инструмента, используя комплекс электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл в условиях наплавки.

Работа выполнялась в следующей последовательности. В первой главе проведён структурный и параметрический анализ различных методов получения заготовок, который выявил сходства и различия, а также положительные эффекты от дополнительных термосиловых воздействий на металл. Затем был составлен эмпирический базис из наиболее близких по техническим замыслам работ ведущих учёных из различных отраслей знаний:

• теплогидромеханики литья: Г. Ф. Баландина, А. И. Батышева, В. А. Ефимова, И. Б Куманина, B.C. Серебро, Н. А Соколова [14, 17, 21];

• термосиловых, импульсных и контактных явлений при ОМД:

B. Бэкофена, И. Ф. Гончаревича, Г. Я. Гуна, Д. Кумабэ, П. И Полухина, я.С. Подстрогача и др. [31, 50, 55, 131, 170, 249, 274, 283];

• стружкообразования и формирования качества поверхности при обработке резанием: В. Ф. Безъязычного, Г. И. Грановского, Н. Б Дёмкина, М. Н. Ларина, Т. Н. Лоладзе, В. Н. Подураева, Э. В. Рыжова,.

C.В. Серенсена, А. Г. Суслова, Е. М. Трента и др. [22, 62,187];

• физико-металлургических и тепловых процессов сварки и наплавки A.M. Болдырева, А. А. Ерохина, Е. О. Патона, В. М. Кряжкова, Г. И. Лескова, Н. М. Новожилова, Н. Н. Рыкалина и др. [32, 68,126, 134];

• формообразования при совмещённых технологиях Б. М. Аскинази, Н. И. Бойко, И. Р. Пацкевича, А. Н. Резникова, Л. А. Иванова, Г. А. Иващенко, М. М. Сафарова, М. А. Шатерина и др., [34, 72, 174, 209].

Структуризация базисного слоя информации послужила теоретической основой для разработки идеи об использовании тепла, генерируемого дугой и аккумулированного в наплавляемом объекте, для синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл и позволил сформулировать задачи исследования: — оценить эффективность использования тепловой энергии, генерируемой электрической дугой (плазмой) при наплавке по критериям качества формообразования и свойств наплавленного металла;

— провести структурно-параметрический анализ внешних воздействий на металл, адаптированных к условиям наплавки, и разработать методологию исследований процессов формообразования с внешним воздействием;

— с позиции теплогидромеханики и контактных взаимодействий определить условия синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл и их регулирующие функции;

— разработать средства технологического оснащения, обеспечивающие практическую реализацию технологического синтеза формообразующих операций;

— определить основные закономерности влияния параметров и факторов внешних воздействий при наплавке на функциональные свойства металла (включая трибологические);

— провести оценку эффективности методов и средств внешнего воздействия на металл по критериям стойкости ФЭ, точности, функциональных свойств деталей машин и инструмента и экономической целесообразности.

Составленная система взглядов на процессы формообразования деталей с НРЭ и логика научного поиска методов и средств управления формообразованием и свойствами деталей позволила перейти к разработке общей методологии работы и разработке частных методик исследований.

Во второй главе разработана общая методология структурно-параметрического синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл в ходе его нанесения.

Методы и средства исследований базировались на фундаментальных положениях электротехнологических процессов с привлечением теории классической гидромеханики, пластичности, тепловых и контактных явлений, а также с использованием математического и физического моделирования (на моделях из электропроводной бумаги [121]и образцах переменного сечением и состава [165]).

Качество металла оценивалось с помощью металлографии, фазост-руктурного анализа, исследований твёрдости и трещиностойкости, шероховатости поверхности, износостойкости, дилатометрии и деформаций с широким привлечением методов планирования экспериментов, математической статистики, ЭВМ.

Многообразие деталей по конструктивно-технологическим параметрам и многоаспектный характер взаимосвязей наплавочных процессов потребовали дифференцированного подхода к изучению процессов принудительного формообразования металла. В этой связи разработан разветвлённый алгоритм поисковой оптимизации процессов управления формообразованием и свойствами НРЭ, предполагающий проведение исследований по трём, связанным общей идеологией, этапам:

1 — наведения ванны расплава;

2 — кристаллизации из жидкой ванны;

3 ~ фазоструктурной рекристаллизации.

Анализ эмпирического базиса показал, что наплавку можно отнести к слабо структурированным системам. Построение многофункциональных зависимостей позволило наметить пути минимизации погрешностей формы и размеров НРЭ.

Для определения взаимосвязей электротехнологических параметров с каплеобразованием при наплавке с внешним воздействием на электрод предложено использовать модульное устройство регистрации электрических сигналов на стадии переноса металла в МЭН.

Опираясь на идеи Н. М. Новожилова [165], предполагалось проводить исследования геометрические параметров и свойства наплавленного металла формообразования путём разработки технологий получения образцов из сплавов переменного состава в сочетании с математическим планированием экспериментов. При этом из множества вариантов температурно-скоростных параметров режима и средств технологического оснащения планировалось выбрать наиболее рациональные с точки зрения получения заданной формы НРЭ.

Результаты исследований Л. И. Коздобы [121] свидетельствуют об эффективности метода электромоделирования на электропроводной бумаге, основанного на аналогии тепловых и электрических процессов. Этот метод принят для определения теплоаккумулирующей способности расплава, изучения теплообменных процессов в контактных зонах ФЭ, а также повышения термического КПД наплавки.

В третьей главе с позиции гидромеханики и контактных взаимодействий составлены математические и физические модели, расчётные и технологические схемы, адекватно отражающие условия синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл и их регулирующие функции в процессе преобразования электрической энергии в тепловую, при растекании ОПМ. Экспериментальная проверка подтвердила целесообразность применения электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл за счёт следующих технологических приёмов: а — дозирования ОПМ (косвенной дуги, схем бифилярного плавления, защемления порошка между электродами, неплавящегося электрода-жёлоба, пучка электродов с центральной проволокой с большим омическим сопротивлением) — б — исполъзованияНФ и промежуточных элементов из смесей оригинальной рецептуры, пуансонного вытеснения, погружения стержней, вибрируемьгх электродов, подложек и ФЭв — ввода термореагирующих присадок, локального охлаждения, удержания металла от стекания и технологических приёмов МЭНг — тангенциального терморезания в ходе нанесения металладприменения процесса снятия стружки возвратно-качательным инструментом и её усвоения теплом наплавочной ванны (эффект безотходно-сти при обработке резанием).

В четвёртой главе разработаны средства технологического оснащения и серия наплавочных установок, отличающихся оригинальным приводом исполнительных механизмов от линейного электрормагнит-ного двигателя и гибкой модульной конфигурацией, включающих: а — НФ и ФЭ из полимеризуемых, электропроводных, теплопоглощающих, кераминизированных компонентовб — механизм подач электродов, обеспечивающих возможность изменять тепловую мощность дуги за счёт варьирования количества {от 1 до 15), диаметра {0,5.5 мм), марки проволок и частоту их вибрациив — комплекс формообразующих устройств, включая промежуточные теплопоглощающие, электропроводные ФЭг — электромагнитный привод исполнительных механизмов, обеспечивающий согласованные действия процессов нанесения металла, его вытеснения в жидкой, твёрдой и промежуточной фазах, и терморезанияд — возвратно-качательный инструмент, обеспечивающий принцип безотходной обработки металла резанием в процессе его нанесения.

Разработанные средства технологического оснащения позволили перейти к согласованным действиям по изучению влияния параметров и факторов внешнего воздействия на металл на его свойства.

В пятой главе получены закономерности и взаимосвязи между параметрами и факторами воздействия на металл с помощью полимеризуемых электропроводных НФ, вытесняющих, режущих и экзотермических ФЭ, повышающие свойства металла за счёт: дробления дендритов, измельчения зерна и снижения коэффициента вариации (2 — 5%) по структуре, твёрдости, однородности металла;

— уменьшения шероховатости {1−5 мкм), припуска на обработку {0,1 — 0,5 мм) и воспроизведения тонкого рельефа ФЭ (до 5 мкм);

— повышения трещиностойкости, износостойкости НРЭ;

— снижения деформаций за счёт снятия металла в домартенситной зоне в ходе его нанесения.

— армирование и легированиеметалла СВС — присадками и карби-дообразующими материалами в периферийных зонах НФ.

Разработанные средства технологического оснащения и результаты исследования свойств наплавленного металла легли в основу разработки наплавки характерных деталей различного назначения.

В шестой главе раскрыты возможности использования электротехнологических эффектов для получения деталей машин и инструментов с улучшенными свойствами. Разработанные технологии комплексной наплавки позволяют снизить металлоёмкость изделий, экономить остродефицитный металл, расширить номенклатуру упрочняемых деталей, повысить их функциональные свойства и вести обработку с эффектом «безотходности» и т. п. В частности установлено, что:

• с помощью приёмов дозированного нанесения металла получать мелкие изделия и НРЭ малых размеров;

• путём термосилового воздействия получать тонкий и сложный рельеф гравюр штампов, деталей художественного назначения, зубчатого профиля, выступов, утолщенийрежущие элементы;

• имеется возможность получать НРЭ для обратных пар трения, сплавов переменного состава, с высокими трибологическими свойствами и для поверхностей, соответствующих форме естественного износа.

• технологические возможности пуансонного вытеснения могут быть использованы для формообразования гравюр штампового инструмента, деталей художественного назначения, деталей зубчатого профиля, различного рода выступов и утолщений в изделиях:

• армирование лезвия ножей для рубки катанки увеличило их стойкость в 1,8−2,1 раза по сравнению с закалённой сталью 65 Г.

Эффект создания переменного дискретного слоя был проявлен при конструкторско-технологической оптимизации рабочего профиля катушки барабана лебёдок Л600 путём нанесения двух валиков разных по форме, размерам и химическому составу. Это позволило улучшить фиксацию каната при укладке и увеличить его стойкость в 5.9 раз за счёт более равномерного распределения сил нормального давления и увеличения числа и площади контактов каната с жёлобом.

Применение присадок позволяет реализовать идею В. В Шульца, заключающуюся в соответствии формы профиля детали, с формой естественного износа и создать опорные слои в зоне экстремального на-гружения. Применение обратных пар трения путём нанесения бронзового покрытия на вал позволяет коренным образом изменить характер изнашивания сопряжённых пар, упростить технологию обработки и конструкцию деталей подшипникового узла, а также повысить ресурс узлов трения по сравнению с прямой парой за счёт повышения коэффициент рационального использования трибосопряжения в 2,2 раза.

Эффект от использования НФ из полимеризуемых керамизиро-ванных смесей оригинального состава проявился при разработке новой конструкции шнековых витков маслопрессов с функциональными рёбрами, что позволило снизить выход масла в отходы с 19% до 5%.

Применение МЭН с последовательным расположением электродов разных между собой марок и использованием медного водоох-лаждаемого кристаллизатора с теплоизолирующим маршалитовым покрытием, а также направленного охлаждения позволяет реализовать эффект самозатачивания ножей отвалов снегоочистительной техники.

Эффект снижения деформаций установлен в результате исследования дилатометрических кривых и экспериментального определения величины прогиба пластин при снятии стружки в домартенситной зоне.

Величина деформации при комплексной наплавке пластин толщиной 22 мм сократилась в 2. .4 раза.

Научная новизна работы заключается в разработке концепции синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл, адаптированных к условиям наплавки, позволяющих получать технологические эффекты и закономерности, которые выносятся на защиту я заключающаяся в следующем:

1. Установлена возможность активного управления формообразованием НРЭ за счёт использования тепла, генерируемого дугой и аккумулированного в наплавляемом объекте, а также временного разупрочнения металла в процессе его нанесения путём электротехнологических и механо-металлургических воздействий.

2. Разработана методология исследования электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл, отражающая механизм и особенности процесса фомообразования на стадиях нагрева электродов, дозированного переноса в МЭИ, наведения жидкой ванны, кристаллизации и охлаждения металла.

3. Получены физические и математические модели, расчётные соотношения, адекватно отражающие закономерности тепловых и гидромеханических условий комплексной наплавки.

4. Созданы средства технологического оснащения и наплавочные установки, отличающиеся гибкой модульной конфигурацией и позволяющие реализовать положительные эффекты технологического синтеза путём использования НФ, вытесняющих, деформирующих и режущих ФЭ и оригинального привода исполнительных механизмов от линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД).

7. Установлены закономерности и взаимосвязи, отражающие влияние электротехнологических и механо-металлургических параметров и факторов на качество формообразования и функциональные свойства НРЭ. При этом выявлены следующие технологические эффекты:

— повышение точности дозирования ОПМ за счёт применения не-плавящегося электрода — жёлоба, пучка электродов с центральной проволокой (порошком) и бифилярной схемы тигельного плавления;

— дробление дендритов, измельчение зерна и снижение коэффициента вариации (2 — 5%) по структуре, твёрдости, однородности металла, повышение трещиностойкости НРЭ за счёт наложения одиночных ударов и низкочастотных вибраций подвижных стенок НФ и ФЭ, перемешивания присадок в ванне расплава;

— воспроизведение тонкого рельефа, минимизация припуска на обработку (О, J — 0,5 мм) за счёт использования ФЭ, полимеризуемых и электропроводных НФ и промежуточных элементов, экзотермических брикетов в периферийных зонах НРЭ;

— снижение деформаций деталей с НРЭ путём снятия металла в до-мартенситной зоне в ходе его нанесения.

8. Разработаны технологии наплавки, расширяющие сферу её применения и позволяющие получать детали машин и инструмента с улучшенными функциональными свойствами. Доказана возможность вести процесс комплексной наплавки с эффектом «безотходности» и выглат живания за счёт пуансонного вытеснения металла и переплава стружки, снимаемой возвратно-качательным резцом в ходе наплавки.

Практическая ценность и реализация работы. Полученные научные результаты положены в основу разработки новых и оптимизации существующих технологических процессов нанесения металла для получения изделий с улучшенными функциональными свойствами (прочностными, трибологическими, электроэрозионными, с минимальным припуском, тонким рельефом, сложным профилем, с армированными слоями, для обратных пар трения, получения заготовок и деталей медицинского и художественного назначения и пр). Разработанные средства технологического оснащения легко адаптируются к любым условиям производства и являются и позволяют осуществить быструю переориентацию производства в условиях рыночной конъюнктуры.

Оценка свойств деталей по критериям технико-экономической целесообразности показали высокую эффективность при внедрении разработок для широкой номенклатуры деталей (катушек лебёдок Л600- коленчатого вала горизонтально-высадочного автомата А-1119- барабанов волочильных становшнековых витков маслопрессовдеталей ж/д вагоновножей бульдозеровштампов и др. деталей).

Достоверность и эффективность разработок подтверждены результатами теоретических и экспериментальных исследований с привлечением современных методов и средств научных исследований, статистической обработкой, экспериментальной проверкой, моделированием, аналитическими расчётами, а также внедрением результатов исследований в производство и учебный процесс.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 26 Всесоюзных, Республиканских, Всероссийских и зональных научно-технических конференциях и семинарах с 1970 г. по 2004 г. в городах: Москве, Киеве, Санкт-Петербурге, Самаре, Кишинёве, Уфе, Харькове, Екатеринбурге, Волгограде, КраматорскеРыбинске, Пензе, Орле, Перьми, а также на различных выставках в Москве (ВДНХ, серебряная медаль), во ВТУЗе АЗЛКв Лейпциге.

Публикации и структура работы. По теме диссертации имеется 118 публикаций (в том числе: 10 публикаций в центральной печати, включённых в перечень периодических изданий ВАКа РФ, 1 монография, 14 авторских свидетельств на изобретения и патентов, 6 учебных пособий, внедрённых в учебный процесс.

Работа состоит из 6 глав на 390 е., списка литературы, 252 рисунка, 69 таблиц и 90 с. приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Итог работы, заключается в решении актуальной научной проблемы, направленной на расширение технологических возможностей наплавки, его можно обобщить в виде следующих результатов и выводов:

1. Резервы повышения эффективности дуговых процессов содержатся в повышении термического КПД наплавки (снижении перегрева ванны, глубины проплавления, сопутствующего подогрева) и в использовании временного разупрочнения металла (для снижения трудностей механической обработки высокопрочных наплавок).

2. Разработана методология исследования синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл. Исследования базировались на фундаментальных положениях электротехнологических процессов с привлечением теории классической теплогид-ромеханики и контактных явлений. На основе дифференцированного подхода к формоизменению металла и построения элементарной системы наплавочного процесса, составлен алгоритм и методики исследований качества формообразования на различных стадиях комплексной наплавки (стадии переноса в МЭИ, наведения жидкой ванны и кристаллизации). С помощью модульного регистратора электрических сигналов по осциллограммам тока выявлены особенности горения дуги (выход на стабильный режим, длительность разрядов и коротких замыканий, эластичность дуги), что позволило наметить пути совершенствования наплавочного процесса.

3. С позиции тепловых и гидромеханических процессов составлены расчётные и физические модели, адекватно отражающие условия растекания и контактные взаимодействия ФЭ с металлом, определены регулирующие функции режимов наплавки и выявлены условия минимизации адгезионных связей между ФЭ и металлом. На этой теоретической основе были составлены различные технологические схемы наплавки: а — дозирования ОПМ с помощью косвенной дуги и бифилярного плавления, защемления порошка между электродами, неплавящегося электрода-жёлоба, пучка электродов с центральной проволокой с большим омическим сопротивлением и низкой температурой плавленияб — использования НФ и промежуточных элементов из смесей оригинальной рецептуры, пуансонного вытеснения, погружения стержней, вибрируемых электродов, подложек и ФЭв — ввода термореагирующих присадок и инициирования СВС — реакций с помощью наплавочной ванны расплаваг — локального направленного охлаждения и удержания металла от стекания за счёт его скоростного затвердеванияд — технологических приёмов МЭН (враздельные и общую ванны)', е — безотходной обработки резанием с помощью строгального или возвратно-качательного резца (путём усвоения разогретой стружки теплом наплавочной ванны).

4. Разработаны средства технологического оснащения и наплавочные установки, отличающиеся оригинальным приводом исполнительных механизмов и гибкой модульной конфигурацией, включающих: а — НФ из полимеризуемых, электропроводных, теплопоглощаю-щих, керамических компонентов и с жаростойкими опорными слоямиб — механизм подач электродов, обеспечивающий возможность изменять тепловую мощность дуги за счёт варьирования количества (от I до 15), диаметра (0,5.5 мм), марки проволок и частоту их вибрацииг — привод исполнительных механизмов, обеспечивающий согласованные действия процессов нанесения металла, его вытеснения в жидкой, твёрдой и промежуточной фазах и терморезанияд — возвратно-качательный инструмент, обеспечивающий принцип безотходной обработки металла резанием в процессе его нанесения.

5. Получены закономерности и взаимосвязи между параметрами и факторами внешнего воздействия на металл с помощью НФ, вытесняющих, режущих и экзотермических ФЭ, что повышает качество формообразования и свойства металла за счёт:

— дробления дендритов, измельчения зерна и снижения коэффициента вариации (2−5%) по структуре, твёрдости, однородности металла;

— уменьшения шероховатости (1−5 мкм), припуска на обработку (О, 1 -0,5 мм) и воспроизведения тонкого рельефа ФЭ (до 5 мкм);

— повышения трещиностойкости, износостойкости НРЭ;

— снижения деформаций за счёт снятия припуска металла в домар-тенситной зоне в ходе его нанесения.

6. На заключительном этапе работы проводилась оценка конструк-торско-технологических решений, предусматривающих использование наплавки с механо-металлургическим воздействием, что позволило:

• наплавлять тонкорельефные и сложнопрофильные элементы штампового инструмента, деталей художественного и медицинского назначения, зубчатого профиля, различного рода выступов, утолщений в широком диапазоне глубин и высот профиля (0,05. 10 мм и более) — получать мелкоразмерные детали машин и инструмента, а также НРЭ с малой массой наносимого металла;

• наносить металлопокрытия с эффектом армирования и легирования, а также НРЭ, обеспечивающие самозатачивание режущих элементов, используя СВС — присадки и карбидообразующие материалы ;

• оптимизировать рабочие профили тяжело нагруженных деталей путём создания переменного дискретного слоя (например, при совершенствовании конструкции катушки барабана крановых лебёдок JI600);

• реализовать идею В. В Шульца, заключающуюся в соответствии формы профиля детали, с формой естественного износа и создать опорные слои в зоне экстремального нагружения;

• применить наплавку для создания обратных пар трения, что позволяет повысить ресурс узлов трения в 2,2 раза по сравнению с прямой парой за счёт повышения коэффициента рационального использования трибосопряжения. Например, наплавка шеек коленчатого вала бронзой упрощает технологию их обработки (бронза хорошо обрабатывается), в конструкции подшипникового узла можно исключить промежуточную деталь — вкладыш, исключить операцию ТО;

• вводить в покрытие графитовые присадки повышающие трибо-логические свойства (графит выступает в роли твёрдой смазки, а присадка выполняет опорную функцию в контактных выступах);

• разработать новую конструкцию шнековых витков маслопрессов с рёбрами, что позволило снизить выход масла в отходы с 17 до 5%.

• получать эффект самозатачивания ножей отвалов снегоочистительной техники.

Соизмерение текущих и единовременных затрат при внедрении результатов исследований показали их технико-экономические преимущества.