Автоматическая автооператорная линия фосфатирования стальных деталей с годовой производительностью 70000 кв. м

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту

Автоматическая автооператорная линия фосфатирования стальных деталей с годовой производительностью 70000 кв.м.

Потребность в значительном росте производства продукции машиностроения, повышении качества продукции, сокращении материальных, энергетических и трудовых ресурсов при изготовлении промышленных изделий диктует необходимость в соответствующем увеличении объёмов тех производств, которые обеспечивают надёжную защиту изделий от коррозии, придание им специальных свойств, снижение их металлоёмкости и улучшение товарного вида.

В решении этих вопросов существенная роль отводится гальванотехнике. В машиностроении широко применяются электрохимические, химические и анодно — оксидные покрытия.

По назначению покрытия делят на защитные, защитно — декоративные и специальные. Основная цель защитного покрытия — защита поверхности деталей от атмосферной коррозии. Защитно — декоративные покрытия защищают детали от коррозии и придают им эстетический вид. Специальные покрытия применяют для придания деталям поверхностной твёрдости, износостойкости, жаростойкости, отражательной способности, электропроводности, смазывающих, изоляционных и других специальных свойств.

Фосфатированием называется процесс обработки металлов раствором фосфатнокислых солей, в результате которой на поверхности образуется слой нерастворимых фосфатов. Метод образования фосфатного слоя прост, экономичен и не требует сложной аппартуры.

Фосфатирование широко применяется в народном хозяйстве как важное средство защиты металлов от коррозии, для декоративной отделки металлических изделий, а также во многих других случаях, когда в специфических условиях производства могут быть эффективно использованы другие ценные свойства фосфатных покрытий.

Защитные свойства фосфатных покрытий сами по себе ограничены вследствие пористости слоя. Однако в сочетании с лакокрасочной или масляной пленкой фосфатный слой, обладающий прекрасными адгезионными свойствами, является весьма эффективным при защите металлов от коррозии.

Так как образование фосфатных покрытий часто не вызывает существенного изменения размеров детали, фосфатирование широко применяется в качестве защитного покрытия для болтов, гаек и других крепежных деталей с последующим пропитываем их смазочными веществами.

В металлургической промышленности и в машиностроении используется свойство фосфатных покрытий не смачиваться расплавленным металлом.

Во многих областях машиностроения, судостроении и приборостроении используются не только защитные свойства фосфатных покрытий, но главным образом их способность выполнять роль грунтовки для лакокрасочного покрытия или смазки. Одновременно решаются задачи декоративной отделки металлических изделий.

Ценные антифрикционные свойства фосфатных покрытий позволяют эффективно применять фосфатирование с последующим промасливанием при холодной прокатке и штамповке изделий. Вследствие уменьшения коэффициента трения существенно снижается потребная мощность оборудования и значительно повышается скорость обработки металлов.

В электропромышленности и приборостроении могут быть использованы электроизоляционные свойства фосфатных покрытий.

1. Технологическая часть

1.1 Характеристика обрабатываемых деталей. Обоснование вида и толщины покрытия

Для фосфатирования выбирается из широкого номенклатурного ряда деталей толкатель плунжера, его изготавливают методом холодного выдавливания. Чтобы стальная заготовка легче поддавалась большим механическим нагрузкам, её надо покрыть специальным фосфатным покрытием, которое в сочетании со смазкой обладают высокими антифрикционными свойствами. Данную форму деталь приобретает после двух штамповок, перед каждой из которых проводится процесс фосфатирования. Толкатель плунжера передает движение от коленчатого вала к плунжеру. Деталь работает в мягких средах, в условиях износа при трении.

Деталь, предназначенная для нанесения фосфатного покрытия, приведена на рисунке 1. Её характеристика приведена в таблице 1.

Таблица 1. — Характеристика обрабатываемых деталей

Фосфатное покрытие на стали по ГОСТ 9.301 — 86 должно быть от светло — серого до черного цвета. После пропитки мыльным раствором должно быть от темно — серого до черного цвета. Покрытие может иметь мелкую и крупную кристаллическую структуру.

Не являются браковочными следующие признаки:

? неоднородность размеров кристаллов на участках местной закалки, сварки, наклепа, различной шероховатости поверхности, на обезуглероженных учатсках;

? белый налет, удаляемый протиркой;

? налет фосфатного шлама на нерабочих поверхностях;

? следы медного электрода на деталях, сваренной точечной или роликовой сваркой;

? пятна, разводы и натеки после пропитки эмульсией, лаком или после гидрофобизирования, не мешающие сборке и не влияющие на работоспособность изделия.

Фосфатированию можно подвергать углеродистые низколегированные стали, чугун, некоторые цветные и легкие металлы. Высоколегированные стали фосфатируются с трудом, и на них образуются пленки более низкого качества, чем на углеродистых сталях. Фосфатные пленки на алюминии и магнии являются менее надежной защитой от коррозии, чем пленки, полученные электрохимическим оксидированием.

Рисунок 1. — Эскиз толкателя плунжера

1.2 Теоретические основы процесса фосфатирования

деталь покрытие агрегатирование

Формирование фосфатной пленки начинается с электрохимического растворения металла, причем на анодных участках поверхности металл в ионном состоянии переходит в раствор, на катодных участках происходит выделение водорода:

Результатом этой реакции является понижение содержания H₃PO₄ в растворе, что приводит к уменьшению концентрации ионов водорода и образованию вторичных и третичных солей:

Образующиеся однозамещенные фосфаты легко растворимы в воде, двухзамещенные трудно растворимы, а трехзамещенные практически не растворяются. Получающаяся при реакциях свободная фосфорная кислота повышает концентрацию ионов водорода в растворе, что способствует дальнейшему ходу процесса. Выделившийся на поверхности металла осадок нерастворимых фосфатов образует с ним прочную кристаллохимическую связь.

Для предотвращения диссоциации однозамещенного фосфата и создания благоприятных условий для образования нерастворимого трехзамещенного фосфата раствор должен содержать некоторый избыток фосфорной кислоты. Одновременно следует учитывать, что чрезмерный избыток кислоты может сдвинуть реакцию в нежелательную сторону. Образование однозамещенных солей затрудняет формирование сплошной пленки или вообще препятствует ее возникновению. Поэтому кислотность раствора играет большую роль в процессе получения фосфатных покрытий.

В промышленности успешно применяются фосфатирующие растворы на основе препарата мажеф. Они легко приготавливаются, довольно стабильны в эксплуатации, позволяют получать пленки удовлетворительного качества. Обычно концентрация препарата составляет 28 — 35 г./л. Для приготовления такого раствора загружают в ванну препарат мажеф из расчета 35 — 40 г./л, заливают водой и, периодически помешивая, кипятят в течение 15 — 20 минут. Избыток препарата берут с учетом того, что он частично расходуется на фосфатирование поверхности стальной ванны и разлагается при кипении раствора.

Контроль приготовленного фосфатирующего раствора ведется на общую Ко и свободную Ксв кислотность. Общая кислотность определяется титрованием пробы с индикатором фенолфталеином. При указанном составе на титрование 10 мл раствора затрачивается 28 — 30 мл 0,1 н раствора NaOH. Свободная кислотность определяется в присутствии индикатора метилоранжа. На титрование 10 мл пробы затрачивается 3 — 4 мл 0,1 н раствора NaOH. Количество миллилитров раствора щелочи, пошедшей на титрование, условно выражается в точках. Следовательно, общая кислотность раствора составляет 28 — 30 точек, а свободная — 3 — 4 точки. Соотношение общей и свободной кислотности — 7 — 10. Общая кислотность растворов первичных фосфатов марганца и железа должна быть не ниже 30 точек, а свободная кислотность — 3 — 4 точки. При этом концентрация препарата в растворе составляет около 30 г./л. Использование раствора мажефа меньшей концентрации приводит к образованию пленок, характеризующихся низкими защитными свойствами.

В процессе работы ванны концентрация препарата мажеф и, следовательно, кислотность уменьшаются, и при Ко = 25 ч 27 точек необходимо для ее повышения добавлять препарат мажеф.

Положительные результаты дает применение концентрированных растворов мажефа (100 — 200 г./л), в которых на поверхности металла формируются мелкокристаллические пленки, характеризующиеся хорошими антикоррозионными свойствами. Температура концентрированного раствора — 80 — 85 °C.

Прекращение выделения пузырьков водорода является признаком окончания процесса фосфатирования. Однако и после этого рост пленки продолжается и потому обрабатываемые детали выдерживают в фосфатирующем растворе еще в течение 10 — 15 мин. Чрезмерно длительное пребывание деталей в ванне нежелательно, так как может произойти оседание нерастворимых фосфатов и срастание их с пленкой, что ухудшит ее качество.

В растворах мажефа хорошо фосфатируются детали из низкоуглеродистой электротехнической стали, чугуна, конструкционной, углеродистой, мало — и среднелегированной сталей. Тонкостенные детали и пружины в таких растворах не рекомендуется обрабатывать. Для фосфатирования высоколегированных сталей можно использовать раствор, содержащий 30 — 32 г./л мажефа и 10 — 12 г./л ВаCl₂. Общая кислотность раствора 30 — 40 точек, свободная кислотность 4 — 7 точек. Обработку ведут при 98 — 100 °C в течение 40 — 60 минут.

Для ускоренного фосфатирования используются растворы на основе железомарганцевых фосфатов, первичных фосфатов цинка и их смесей с добавками ускорителей, в первую очередь, нитрата цинка. Содержание Zn (N0₃)₂ • 3H₂0 не должно превышать 60 — 70 г./л при концентрации мажефа не менее 30 — 40 г./л. Нитраты бария, стронция, кальция используются в растворах для получения фосфатно — оксидных покрытий. Применение добавок позволяет также снизить температуру фосфатирующего раствора.

Следует учесть, что фосфатные пленки, сформированные в цинк — фосфатных растворах, характеризуются сравнительно меньшей защитной способностью, и поэтому их используют преимущественно для получения грунта под лакокрасочные покрытия.

В таблице 2 приведены некоторые составы растворов и режимы фосфатирования, используемые в производстве.

Раствор 1 применяется для антикоррозионного фосфатирования углеродистой и низколегированной сталей, а также чугуна. Раствор применяется 2 для ускоренного получения фосфатных защитных пленок и обработки пружин. Раствор 3 применяется для ускоренного фосфатирования деталей сложной конфигураций, тонкостенных деталей, пружин из углеродистой и легированной сталей. Раствор 4 применяется для низкотемпературного (холодного) фосфатирования углеродистой, низко — и среднелегированных сталей, деталей с кадмиевым или цинковым покрытием. Раствор 5 применяется для ускоренного получения защитных фосфатных, покрытий. Растворы 6 и 7 используются для ускоренного фосфатирования, причем в растворе 6 обрабатывают детали 1 — 2 классов точности, в том числе пружины, допускается также обработка деталей с цинковым или кадмиевым покрытием.

Таблица 2. — Составы растворов химического фосфатирования и режимы обработки черных металлов

Равномерные мелкокристаллические фосфатные пленки, толщиной до 5 мкм могут быть получены при температуре 18 — 25 °C в растворе, содержащем: 40 г./л фосфорной 100% - ной кислоты, 200 г./л азотнокислого цинка, 15 г./л окиси цинка, 8 г/л сернокислого натрия при рН раствора 1,9 — 2,0 и продолжительность обработки 30 минут.

Антифрикционные свойства фосфатных покрытий могут быть улучшены путем применения ингибиторов коррозии. В раствор, содержащий 200 г./л азотнокислого цинка, 40 г./л фосфорной кислоты, 15 г./л окиси цинка, 8 г/л ускоряющей добавки УД — 1, вводили 3 г/л ингибитора К. И — 1, обработку вели при комнатной температуре в течение 30 минут. Добавка ингибитора привела к увеличению стойкости фосфатного покрытия при испытании и растворе хлористого натрия в четыре — пять раз.

Детали автотракторного и электрооборудования из стали, чугуна и цинковых сплавов фосфатируют в растворе, содержащем 15 — 20 г./л монофосфата цинка и 25 — 35 г./л нитрата натрия, при 55 — 60 °C в течение 15 — 20 минут. По защитной способности формируемые фосфатные пленки аналогичны получаемым в растворах препарата мажеф.

Растворы для фосфатирования при пониженной температуре особенно пригодны для обработки крупных деталей струйным методом. Такой метод по сравнению с обработкой в стационарной ванне позволяет значительно уменьшить продолжительность процесса и расход материалов. Давление воздуха при струйном фосфатировании 15 — 20 МПа. Струйная обработка с перерывами в подаче струи раствора 5 — 20 с и повторением цикла четыре — восемь раз способствует получению покрытий большей толщины, чем при обычном стационарном режиме.

Фосфатные покрытия, используемые для улучшения условий механической обработки металлов, получают в растворах, составленных на основе выпускаемых промышленностью концентратов КФЭ — 1, КФЭ — 3 — для фосфатирования заготовок перед холодной деформацией, КПФ — 1 — для улучшения антифрикционных свойств деталей и полуфабрикатов.

Содержание концентратов в растворе и режим фосфатирования следующие:

· КФЭ — 1 — 35 — 45 г./л, Ко = 48 — 52, Ксв = 10 — 12, температура раствора 90 — 95 °C, продолжительность обработки 8 — 10 минут;

· КФЭ — 3 — 35 — 45 г./л, Ко = 19 — 20, Ксв = 2 — 2,5, температура раствора 55 — 65 °C, продолжительность обработки 12 — 15 минут;

· КПФ — 1 — 100 — 110 г./л, Ко = 47 — 50, К_св = 6 — 7, температура раствора 90 — 98 °C, продолжительность обработки 5 — 10 минут.

Корректирование первых двух растворов ведут по общей кислотности концентратом КФЭ — 2. При введении в первый из них 0,15 кг КФЭ — 2 на 100 л общая кислотность повышается на одну точку. При введении во второй раствор 0,174 кг указанного концентрата на 100 л общая кислотность повышается также на одну точку. Третий раствор корректируют введением фосфатирующего концентрата КПФ — 1.

Фосфатные покрытия могут быть получены не только химической, но и электрохимической обработкой металлов, однако этот процесс до настоящего времени не нашел промышленного применения.

При обработке отдельных участков поверхности деталей или вертикальных поверхностей крупногабаритных деталей могут быть использованы фосфатирующие пасты. Наиболее простой вариант их приготовления — смешать фосфатирующий раствор с инертным наполнителем — тальком, каолином — в соотношении примерно 3 ч 2 — 2,5 ч 2. Пасту наносят на обрабатываемую поверхность с помощью кисти и выдерживают при комнатной температуре в течение 40 — 50 мин. После этого ее смывают водой или осторожно счищают скребком с последующей промывкой. Очищенную поверхность необходимо быстро просушить.

При работе с пастами можно сочетать операции очистки и фосфатирования поверхности металла. Один из составов паст, предложенных для этой цели, содержит: 82 — 86% Н₃РО₄, 8 — 9% K₄Fe (CN)₆, 4 — 6% препарата ОП — 7, 2 — 3% патоки. В реакции компонентов пасты с металлом участвуют и имеющиеся на его поверхности продукты коррозии. После обработки пастой детали промывают водной суспензией СаСО₃.

Введение

м в фосфатирующие растворы некоторых добавочных компонентов можно сочетать основной процесс не только с обезжириванием, но и травлением металла, что снижает трудоемкость подготовительных операций. Обезжиривающий эффект достигается введением поверхностно — активных веществ. Хорошие результаты дает раствор, содержащий 25 — 40 г./л препарата мажеф, 50 — 70 г./л нитрата цинка, 20 — 30 г./л препарата ОП — 10. Обработку стальных деталей ведут при 70 — 80 °C в течение 20 — 30 минут. Для этой же цели предложен раствор, содержащий по 45 г./л однозамещенного фосфата цинка и нитрата натрия и по 2 — 5 г/л препарата ОП — 10 и проксанола при 50 — 60 °C.

Сочетание процессов обезжиривания поверхности стали и ее фосфатирования достигается введением в раствор моющего препарата. Для получения такого состава растворяют в 1 л воды 45 г. монофосфата цинка, 45 г. нитрата натрия, затем добавляют 4 — 9 г универсальной пасты. Полученный раствор кипятят в течение 10 минут для уменьшения шламообразования. Струйное фосфатирование ведут при температуре 60 — 80 єС, давлении сжатого воздуха 8 — 10 МПа в течение 2 — 3 мин. При обработке в стационарной ванне продолжительность фосфатирования увеличивают до 15 — 20 минут.

Для одновременного обезжиривания, травления и фосфатирования использовали водную вытяжку суперфосфата, представляющего собой смесь однозамещенного фосфата и сульфата кальция. Суперфосфат смешивали с водой в соотношении 1 ч 2 и кипятили в течение 3 — 4 ч до достижения плотности 1,06. Отделенный декантацией раствор использовался для подготовки деталей перед нанесением лакокрасочных покрытий.

Для удаления ржавчины с одновременным фосфатированием стали предложено применять растворы фосфорной кислоты с добавкой сложных полифосфатов. К 100 массовым долям фосфорной кислоты (20%-ный раствор) добавляют 0,1 доли Nа₆Р₆О₈ и ведут процесс при комнатной температуре. Положительное влияние на очистку поверхности металла при фосфатировании оказывает введение в раствор смачивателей.

Совмещение в одном процессе операций подготовки поверхности металла и нанесения фосфатного покрытия является перспективным направлением развития технологии фосфатирования, так как позволяет значительно уменьшить трудоемкость отделочных операций.

Промышленные компании выпускают большое число современных фосфатирующих композиций, таких как: ЭПИ — Фос, Фоскон, Lik F. Некоторые марки этих композиций предназначены специально для фосфатирования стали с целью облегчения ее холодной деформации. Также есть марки предназначенные для совмещенных операций фосфатирования и обезжиривания. Покрытие получается, удовлетворяющее современным требованиям, предъявляемым к фосфатным слоям перед промасливанием, операциями холодной деформации: вытяжкой, штамповкой, выдавливанием. Образуемые фосфатные слои значительно увеличивают износостойкость волочильного, штамповочного оборудования. Работают добавки в широком диапазоне температур от 20 до 90 °C. Время операции фосфатирования 5 — 20 минут.

1.3 Режим работы участка

В курсовом проекте предусмотрен двухсменный режим работы проектируемого отделения, рабочий день составляет 8 часов: первая смена работает с 6:30 до 15:00, а вторая смена работает с 15:00 до 23:30.

Различают номинальный и эффективный фонд времени.

Номинальный фонд времени определяется режимом работы цеха (количеством смен, количеством рабочих дней в неделю). При двухсменной, пятидневной рабочей неделе:

Эффективный фонд времени для автоматического оборудования:

где 365 — количество дней в году; 52 — количество недель в году; 2 — количество выходных в неделю; 11 — количество праздников; 16 — двухсменный восьмичасовой рабочий день; 7,5% - проценты потерь автоматического оборудования.

Эффективный фонд времени для неавтоматического оборудования:

Эффективный фонд времени рабочих:

где 28 — число отпускных дней; 6 — число дополнительных отпускных дней за вредность; 8 — односменный восьмичасовой рабочий день.

Полезный фонд времени рабочих рассчитывается с учётом выходных, праздничных дней и отпуска.

Количество рабочих недель:

Исходя из норм труда, работник должен вырабатывать по 40 часов в неделю, тогда полезный фонд времени составляет 1820 часов.

1.4 Технологический процесс

Выбор и обоснование технологического процесса

Предварительная подготовка поверхности металла перед покрытием необходима для того, чтобы обеспечить прочное сцепление покрытия с основным металлом, создать условия для снижения пористости и улучшения его внешнего вида.

На деталях, поступающих в гальванический цех, всегда имеются различные загрязнения — жировые, оксидные (окалина, ржавчина) и другие. Эти загрязнения должны быть тщательно удалены, так как они препятствуют прочному сцеплению с основным металлом. Если детали плохо очищены, покрытие будет частично или полностью отслаиваться и со временем темнеть. Большинство дефектов покрытий связано с плохим качеством подготовки поверхности перед покрытием.

Для нанесения покрытий допускаются детали, на поверхности которых нет раковин, окалины, ржавчины, заусенцев и других дефектов. Шероховатость покрываемой поверхности деталей должна быть не ниже 4 класса точности по ГОСТ 2789– — 73.

Для подготовки поверхности изделий перед покрытием применяют механические, химические и электрохимические способы обработки поверхности.

Химическое обезжиривание — удаление следов минерального масла, консервационных смазок, полировочных паст и так далее. Жировые загрязнения могут быть животного и растительного происхождения (омыляемые жиры) и минеральные масла. Эти загрязнения хорошо растворяются в органических растворителях, щелочных растворах, синтетических поверхностно — активных веществах. Обезжиривание осуществляют путем погружения детали в жидкость, струйным способом или обработкой в паровой фазе. На поверхности изделий происходит газовыделение. Поэтому жировая пленка разрушается и удаляется с поверхности не только в результате эмульгирования и омыления жиров гидроксильными ионами, но также благодаря отрыву капелек жира и масел. В состав обезжиривающих растворов кроме щелочи и эмульгаторов, входят кальцинированная сода и тринатрий фосфат. Тринатрий фосфат умягчает воду за счет образования труднорастворимых фосфатов Ca, Mg. Фосфаты также улучшают моющую способность.

Для обезжиривания применяется современная добавка Экомет — 011НТ, которая предназначена для растворов химического обезжиривания металлических деталей при температуре 25 — 35 °C. Раствор хорошо удаляет жидкие и твердые масла и другие загрязнения. Обезжиривающий раствор малотоксичен, негорюч, содержит только мягкие биоразложимые ПАВ.

Ванны промывочные предназначены для удаления с поверхностей обрабатываемых изделий загрязнений и остатков растворов после операций нанесения покрытий, обезжиривания и других.

В зависимости от температуры воды подразделяют ванны: холодной и теплой (до 50°С) промывки. Для лучшей отмывки щелочи предусмотрены теплые промывки.

При промывке в проточной воде после технологической ванны применяют три основные схемы: одноступенчатая промывка в одной (одинарной) ванне, многоступенчатая прямоточная промывка в нескольких последовательно устанавливаемых ваннах (ступенях) промывки, оборудованных самостоятельной системой подачи и слива воды и многоступенчатая противоточная (многокаскадная) промывка, при которой направление потока воды противоположно направлению движения деталей. Многокаскадная промывка, при прочих равных условиях, обеспечивает в несколько раз меньший расход воды.

Наиболее эффективными являются каскадные ванны промывки, причём с повышением количества ступеней промывки разница в расходах воды для разных типов промывных ванн постепенно снижается.

Каскадные промывки, совмещенные после травления и нитритной обработки, позволяют сократить расход воды.

Процесс травления в серной кислоте применяется для снятия поверхностного слоя загрязнений, окислов, жировой пленки и является одной из подготовительных операций перед фосфатированием.

Нитритная обработка поверхности металла используется перед фосфатированием для придания фосфатному слою более мелкокристаличесской структуры.

Промывка после процессов травления и нитритной обработки совмещена, что позволяется наиболее эффективно использовать воду.

Перед началом эксплуатации стальной ванны необходимо ее внутреннюю поверхность покрыть фосфатным слоем и лишь после этого начинать фосфатирование деталей.

Для фосфатирования применяется современная композиция Lik F — 44, которая позволяет получить антифрикционное фосфатное покрытие для подготовки поверхности металла под обработку давлением, а также получить фосфатное покрытие на стали перед экструзией, волочением и холодной высадкой.

После основного процесса необходимо пропитать фосфатное покрытие в растворе хозяйственного мыла, а затем выдержать подвески с деталями для стекания раствора.

Исходя из изложенного выше предлагаю следующую последовательность технологических операций [7]:

1) Обезжиривание химическое, необходимо, так как на поверхности детали имеются жиры и масла, процесс ведут при температуре 25 — 35 °C;

2) Промывка каскадная теплая — холодная, после обезжиривания детали тщательно промывают теплой водой, чтобы освободить их поверхность от остатков щелочи, температура воды 40 — 60 °C для того чтобы лучше отмыть щелочь;

3) Травление, необходимо для удаления возможной ржавчины с поверхности и повышения ее восприимчивости к покрытию, температура не нормируется;

4) Промывка каскадная холодная — холодная, после травления детали тщательно промывают водой, чтобы освободить их поверхность от остатков кислоты, температура воды не нормируется;

5) Нитритная обработка, необходима для повышения восприимчивости поверхности к покрытию, температура 60 — 70 °C;

6) Промывка каскадная холодная — холодная, после травления детали тщательно промывают водой, чтобы освободить их поверхность от остатков нитрита натрия, данная промывка совмещается с промывкой после травления, температура воды не нормируется;

7) Фосфатирование, температура 50 — 60 °C;

8) Улавливание, после фосфатирования, чтобы освободить поверхность от остатков раствора фосфатирования, снизить потери данного раствора, за счет дальнейшей применения в качестве потпитки основной ванны, температура не нормируется;

9) Промывка каскадная холодная — теплая, после фосфатирования детали тщательно промывают холодной водой, чтобы освободить их поверхность от остатков раствора фосфатирования, и теплой водой, чтобы подогреть поверхность перед пропиткой и сушкой, температура воды 40 — 60 °C;

10) Пропитка, применяется для пропитки фосфатных покрытий, температура 45 — 55 °C;

11) Сушка, применяется для сушки деталей.

Технологическая карта приведена в таблице 3.

Анализ и корректировка электролитов. Неполадки в работе электролитов

Составы растворов в процессе работы непрерывно изменяются. Поддержание постоянной концентрации составных частей осуществляется на основе периодических их анализов, частота которых приведена в таблице 4.

Корректирование раствора химического обезжиривания заключается в поддержании концентрации компонентов на заданном уровне на основании полученного анализа. Смену растворов обезжиривания производить по мере загрязнения. Упавшие в ванну детали можно извлекать только специальными приспособлениями. Очистку растворов обезжиривания от масел и жировых загрязнений производить при остановке работы оборудования и освобождении ванны от раствора.

Таблица 3. — Карта технологического процесса.

При чистке гальванического оборудования использовать хозяйственный инвентарь. Если работа проводится над поверхностью ванн, ванны укрыть мостками. Чистка оборудования, контактов, штанг и анодных крючков ведется только мокрым способом.

Корректирование раствора фосфатирования производить по его кислотности. При общей кислотности раствора выше оптимальной, раствор разбавить водой. При общей кислотности раствора ниже оптимальной, добавить концентрат из расчета на одну недостающую «точку». При недостатке свободной кислоты добавить ортофосфорную кислоту. При избытке свободной кислоты раствор разбавить водой. Правильно работающая ванна должна иметь зеленый или грязно-желтый цвет. При погружении деталей во вновь приготовленный раствор может наблюдаться его помутнение во всем объеме ванны. Чистку ванн производить один раз в месяц. Раствор охладить до цеховой температуры, отстоявшуюся светлую часть раствора слить в запасную емкость. Осадок разбавить водой и при перемешивании слить в канализацию. Шлам со стенок и дна ванны удалить с помощью молотка и скребка, собрать совком и поместить в тару. При проведении ремонтных работ над поверхностью раствора, ванна должна быть укрыта мостками.

Таблица 4. — Анализ электролитов.

Корректирование раствора пропитки заключается в поддержании концентрации мыла на заданном уровне на основании полученного анализа. Смену раствора пропитки производить по мере загрязнения. Упавшие в ванну детали можно извлекать только специальными приспособлениями. Чистку ванн производить при остановке работы оборудования и освобождении ванн от растворов. При чистке гальванического оборудования использовать хозяйственный инвентарь. Если работа проводится над поверхностью ванн, ванны укрыть мостками.

Возможные неполадки в работе электролитов и способы их устранения представлены в таблице 5.

Контроль производства и качества покрытий

Характеристика структуры поверхности фосфатных покрытий является важным критерием оценки их свойств, а также средством контроля за постоянством состава раствора и режима процесса.

Таблица 5. — Неполадки в работе электролитов и способы их устранения

С точки зрения общепринятой классификации качества обработки поверхности, установлено, что все встречающиеся фосфатные покрытия могут быть оценены по ГОСТ 2789– — 52 в пределах II и III групп чистоты (то есть 5 — 10 классов чистоты обработки) и классифицированы с сохранением терминологии квалификации кристаллической структуры фосфатных покрытий на пять групп. Классификация фосфатных покрытий представлена в таблице 6.

Для обеспечения высокого качества покрытий проводят ряд организационно — технических мероприятий: комплексный контроль производства, организация непрерывных гальванических процессов, автоматизация производства.

Таблица 6. — Классификация фосфатных покрытий по характеру внешней кристаллической структуры В контроль производства входит контроль качества покрытия. Предусматривают контроль покрытий по внешнему виду, толщине в соответствии с ГОСТ 9.302 — 88.

Контроль и испытания ведутся объективными и неразрушающими методами.

Методы измерения толщины покрытий

Методы контроля толщины покрытия по степени воздействия на объект подразделяют на 2 группы: неразрушающего контроля и разрушающего контроля.

Неразрушающие методы контроля используют в производстве, где необходим стопроцентный контроль покрытий большого количества однотипных изделий, а также в случае изделий малых форм, сложного профиля конфигурации, высокой стоимости.

Методы контроля толщины покрытий с разрушением изделия делятся на химические, при использовании которых разрушается целостность не только покрытия, но и самого изделия.

Из неразрушающих методов контроля наибольшее распространение получили электромагнитные методы, метод измерения масс, метод прямого измерения. Радиометрический метод измерения толщины высокоэффективен, но, к сожалению, сравнительно редко используется.

Наиболее простым методом является магнитно — отрывной метод, используемый для измерения толщины немагнитных покрытий, нанесенных на ферромагнитную основу. К недостаткам метода следует отнести существенную зависимость результатов измерения от шероховатости поверхности, формы, размеров основания и его магнитных свойств.

Магнитоиндукционные методы более совершенны, используются они для тех же целей, что и магнитно — отрывной метод. Использование малогабаритных преобразователей специальной конструкции обеспечивает контроль покрытий на изделиях с криволинейной поверхностью, сложной конфигурации и с низкой чистотой обработки поверхности.

В основе вихревого метода лежит возбуждение, и регистрация вторичных полей вихревых токов преобразователем накладного типа.

Сущность метода прямого измерения заключается в измерении размеров изделия до, и после покрытия. Измерения производят с помощью микрометра или оптиметра. Микрометр позволяет измерять покрытия значительной толщины.

Методы измерения толщины покрытий с разрушением образца.

Наиболее точным и универсальным химическим методом является кулонометрический метод определения толщины покрытия. Метод основан на анодном растворении участка покрытия под действием стабилизированного тока в соответствующем электролите. Среди физических разрушающих методов получил наибольшее распространение металлографический метод. Он основан на измерении толщины однослойных и многослойных покрытий на поперечном шлифе при увеличениях 500 — 1000 крат для покрытий толщиной до 20 мкм и 200 крат для покрытий толщиной более 20 мкм.

Методы измерения состояния поверхности покрытия

Для оценки цвета, блеска, степени шероховатости поверхности, наличия разного рода дефектов используют оптические методы неразрушающего контроля (ОНК).

Наиболее распространены визуальные методы ОНК, то есть смотр изделий невооруженным глазом. Согласно ГОСТ 9.301 — 78, визуальный осмотр в рассеянном свете — обязательная контрольная операция при анализе качества покрытия.

Визуально — оптические методы (ВОМ) основаны на применении оптических приборов, работающих совместно с газом. Применение ВОМ позволяет обнаруживать малоразмерные дефекты и дает возможность количественно оценивать их размеры и форму.

2. Расчетная часть

2.1 Выбор и расчет оборудования. Унификация и агрегатирование оборудования

Оборудование для нанесения покрытий

Поскольку покрываемые заготовки детали имеют небольшие размеры и простую форму, то целесообразней их покрывать в корзинах насыпью. Для этого применяются автооператорные линии.

В линиях этого типа можно осуществлять:

? различные технологические процессы (электрохимические, химические, анодно — окисные);

? как отдельные технологические процессы, так и несколько процессов одновременно или поочередно;

? изменение последовательности и длительности технологических операций;

? нанесение покрытий с производительностью от 1 до 200 м²/ч;

? обработку изделий как мельчайших, так и крупногабаритных длиной несколько метров;

? обработку изделий на подвесках, в барабанах, корзинах или комбинированно.

Отличительными особенностями автооператорных линий являются:

? движение изделий в процессе обработки как в прямом, так и в обратном направления;

? расположение ванн и других позиций обработки не в последовательности выполнения технологических операций;

? возможность осуществления нескольких одноименных операций на одной технологической позиции;

? наличие независимых транспортирующих органов с индивидуальными приводами перемещения и подъема — опускания;

? неодновременность переноса обрабатываемых изделий;

? отсутствие жесткой связи между приспособлением для размещения обрабатываемых изделий и грузозахватным элементом транспортирующего органа;

? наличие устройства программного управления.

Автооператорная линия в общем виде содержит ванны, автооператоры, сушильную камеру, загрузочно — разгрузочные стойки, систему вентиляции, металлоконструкцию, систему трубопроводов, площадку обслуживания, систему программного управления, вспомогательное оборудование.

В автооператорных линиях перенос обрабатываемых изделий и длительность их пребывания на каждой позиции задаются технологическим процессом, однако перемещение самого автооператора не совпадает с последовательностью технологических операций и носит челночный характер. Например, автооператор может перенести одну партию изделий с позиции загрузки на позицию химического обезжиривания, затем выгрузить другую партию изделий из ванны покрытия в ванну промывки, после чего вернуться к первой партии изделий и перенести их на позицию электрохимического обезжиривания, и так далее. В зависимости от требуемой производительности в линии может быть несколько автооператоров. Они размещаются над ваннами или сбоку ванн.

Различают линии с подвесными автооператорами, портальными и консольными. Для осуществления процесса выбирается подвесной автооператор.

Подвесные автооператоры перемещаются по направляющим путям над ваннами. В этом самом распространенном типе линий доступ к ваннам открыт с двух сторон, что очень удобно при их эксплуатации, а близость массы автооператора и переносимого груза к опорной поверхности рельсовых путей обеспечивает устойчивость, как самого автооператора, так и груза в процессе его транспортировки.

Крепление направляющих путей может быть реализовано двумя способа — к специальным вертикальным стойкам или элементам перекрытия цеха. Линии с креплением направляющих путей к перекрытию цеха наиболее предпочтительны. Они пригодны для обслуживания ванн практически любых длины и высоты. По сравнению с другими типами линий занимаемая ими площадь меньше на 20 — 30%, а металлоемкость — на 10 — 15%. В тех случаях, когда крепление направляющих путей к перекрытию цеха связано с определенными сложностями, их монтируют на вертикальных стойках, устанавливаемых на фундаменте или общей раме линии.

Технические характеристики ванн для процесса фосфатирования приведены в таблице 6.

Расчет автоматического оборудования для нанесения металлопокрытий, расчета потребного количества автоматов и полуавтоматов производится в соответствии с [5,6].

В зависимости от годовой программы и размеров детали выбирается тип приспособления — корзина.

Годовая программа без учета брака 70 000 м², с учетом брака, равным 1% - 70 700 м².

Загрузка в корзину принимается исходя из количества деталей в 600 штук с покрываемой поверхность 0,63 дм², и составляет 3,78 м². Выбираем корзину с габаритами (длина Ч ширина Ч высота): 630 Ч 520 Ч 800 мм, тогда размер ванн следующий (длина Ч ширина Ч высота): ванна химической обработки 1600 Ч 800 Ч 1250 мм.

Определяется расчетный ритм автомата, мин:

где T_эфф — эффективный фонд времени работы оборудования, ч; ѓ - загрузка на корзину, м²; P'_год — годовая программа с учётом брака, м².

Число обрабатываемых приспособлений в год, шт.:

Расчет числа ванн на основную операцию, шт.:

где ф_осн — время выполнения основной операции (15 мин); ф_всп — время на вспомогательные операции (учитывает время на загрузку — выгрузку, холостые ходы) принимают 2 — 3, мин; N_в > N'_в — число ванн округленное до целого большего числа.

Рабочий ритм автомата, мин:

Рассчитывается количество автоматов:

Округляется расчетное количество автоматов до целого большего числа и принимается n'_авт = 1

Коэффициент загрузки рассчитывается по формуле:

Часовая производительность автомата, м²/ч:

Годовая производительность, м²/год:

Составляется компоновка и рассчитывается длина линии для фосфатирования. Компоновка представленная на рисунке 2.

Рисунок 2. — Компоновка линии:

1 — загрузочный комплекс; 2 — сушильная камера; 3 — ванна выдержки; 4 — ванна пропитки; 5 — ванна химического обезжиривания; 6 — ванна каскадной промывки теплая — холодная; 7 — ванна травления; 8 — ванна каскадной промывки холодная; 9 — ванна нитритной обработки; 10 — ванна каскадной промывки теплой — холодной; 11 — ванна улавливания; 12, 13 — ванна фосфатирования.

Сопряжения между ваннами:

1 — ?l₁ — зазор между ваннами без вентиляционного отсоса и кармана — 160 мм;

2 — ?l₂ — зазор между ваннами с односторонним вентиляционным отсосом без кармана — 290 мм;

3 — ?l₃ — зазор между ваннами без вентиляционного отсоса с карманом — 235 мм;

4 — ?l₄ — зазор между ваннами с односторонним вентиляционным отсосом и карманом — 425 мм;

5 — ?l₅ — зазор между ваннами с двухсторонним бортовым отсосом — 390 мм;

6 — ?l_б — ширина одностороннего вентиляционного отсоса — 212 мм Длина линии рассчитывается по формуле, м:

где N — количество ванн одного типоразмера; l — ширина ванн принятого типоразмера, м; lз — ширина загрузочно — разгрузочной стойки, м; lс — ширина сушильной камеры, м; ?lз.с. — зазор между сушильной камерой и загрузочно — разгрузочной стойкой, 0,475 м; m1 — m5 — количество соответствующих сопряжений ванн; ?l1 — ?l5 — зазоры между ваннами; ?lб — ширина одностороннего вентиляционного отсоса.

Ширина линии рассчитывается по формуле, м;

где L_вн — внутренняя длина ванны, м; В₁ — расстояние от внутренней стенки ванны до наружной плоскости опорной стойки (для подвесочных автооператоров — 0,65 м); В₂ — расстояние от внутренней стенки ванны до наружной плоскости площадки обслуживания (В₂ = 1,165 м).

Результаты расчета потребного количества автоматов и полуавтоматов приведены в таблице 8.

Вспомогательное оборудование

Использование централизованной системы приготовления, раздачи и корректирования электролитов делает необходимым применение вспомогательного оборудования.

Централизованные системы приготовления, раздачи и корректировки растворов применяются для автоматических линий. Данная система позволяет стабилизировать состав раствора, снизить количество вспомогательных рабочих, повысить культуру производства.

Таблица 7. — Технические характеристики ванн

Централизованно раздаются растворы обезжиривания, травления, активации, растворы покрытий.

Для приготовления растворов покрытий предусмотрены ванны приготовления и запасная емкость. Корректируемый раствор готовят в ванне приготовления в виде концентрата и насосом — дозатором перекачивается в запасную емкость.

Запасные емкости применяются для слива растворов из ванн покрытий автоматических линий с целью их корректировки. Объем емкости выбирают с учетом ее заполнения на 0,75 — 0,8. Для автооператорных линий, имеющих несколько ванн, выбирают запасные емкости с учетом одновременного слива растворов всех однотипных ванн.

Объем ванны приготовления должен быть не менее 10 — 15% от объема ванны покрытия. Если в линии несколько ванн, то объем ванны приготовления 10 — 15% от суммы всех ванн. В ванне приготовления готовят концентраты, то есть растворы, в которых концентрация компонентов основной ванны в 2 — 3 раза превышает концентрацию компонента в каждой ванне.

Фильтровальные установки могут быть периодическими или непрерывными. Производительность фильтра определяется скоростью фильтрации и характеристикой фильтра. Для растворов для защитных покрытий скорость фильтрации — один объем в час, для защитно — декоративных покрытий — три объема в час.

Буферные емкости предназначены для непрерывной очистки растворов обезжиривания от масла, жира. На каждую ванну обезжиривания ставится своя буферная емкость.

При выборе вспомогательного оборудования предпочтение отдается стандартизованному, нормализованному и серийно выпускаемому оборудованию. В особых случаях оборудование проектируют из унифицированных узлов деталей.

Спецификация вспомогательного оборудования приведена в таблице 9.

2.2 Энергетические затраты проектируемого участка покрытий

Энергия в цехе присутствует в виде электрической энергии, пара и сжатого воздуха. Электрическая энергия расходуется на привод линии, на работу насосов и фильтров. Пар необходим для нагрева ванн фосфатирования, обезжиривания, нитритной обработки, пропитки и промывок. Сжатый воздух используется для перемешивания в почти всех ваннах линии фосфатирования, потому что процесс ведется в корзинах, в которых детали лежат насыпью.

Таблица 9. — Спецификация вспомогательного оборудования