Разработка технологии чистовой комбинированной обработки ступенчатых отверстий с одновременным нанесением покрытий

Актуальность темы

На данный момент в нашей стране и за рубежом наблюдается интерес к проблемам развития производственных решений, которые характеризуются повышенными требованиями к качеству поверхностного слоя деталей гидромашин, а также к коррозионной стойкости и долговечности различных узлов выпускаемых изделий. Важнейшим показателем получения данных свойств материалов является совмещение требуемых характеристик изготавливаемой продукции при уменьшении себестоимости на ее производство. К одним из таких путей достижения технологического результата относится метод электролитического осаждения хромом с одновременным применением механического воздействия инструмента. В России, а также в других странах широко распространены различные виды гальваномеханических методов обработки поверхностей деталей из различных марок сталей и чугуна, в частности гальваномеханическое осаждение хромом. Такой вид обработки увеличивает срок службы изделий, значительно уменьшая износ в контактных парах гидродеталей, а покрытие обладает антиадгезионными свойствами. Использование хрома в производственном процессе характеризуется высокой твердостью осадков данного элемента, малым коэффициентом трения и высокой прочностью сцепления хрома с основным металлом детали.

Однако обработка поверхностных слоев материалов и сплавов методами гальваномеханического осаждения хромом осложняется рядом технологических проблем и трудностей осуществления такого производственного способа. Причины возникновения проблем заключаются в физике проведения технологического процесса, структурным составом компонент электролита, непосредственно способами и приемами хромирования. В процессе осаждения возникают и проявляются значительные остаточные напряжения, что приводит к образованию объемной сеткообразной области трещин. В свою очередь, такой эффект приводит к нарушению целостности структуры материала, что сказывается на герметичности по поверхности контакта изделия и снижается устойчивость к коррозии. Для устранения проблем формирования поверхностного слоя хромированием материалов необходимо проводить многослойное покрытие, применять другие режимы осаждения (повышать температуру, плотность тока и т. д.) или использовать нетрадиционные методы образования поверхностных структур. При всех возможных вариантах изготовления, наличие трещин в той или иной мере будет в покрытиях (в допустимом диапазоне), что может привести к коррозии в материале.

Необходимо отметить, что в литературе последнего десятилетия поднимается вопрос об использовании методов гальваномеханической обработки применительно к длинномерным и, как правило, крупногабаритным цилиндрическим деталям гидроагрегатов (штоки, втулки, валы турбин). В основном такой вид обработки затрагивает наружную поверхность детали, а также проектируемое оборудование и технологический процесс. Вместе с тем, практически не рассмотрены способы и оборудование для гальваномеханической обработки хромом внутренних поверхностей деталей гидроагрегатов, не приводятся данные о подготовке поверхностного слоя материалов, а также методов по оптимизации некоторых технологических операций. Такое обстоятельство является значительным препятствием для изготовления большой номенклатуры деталей гидромашин.

Поэтому разработка оборудования и создание технологического процесса гальваномеханической обработки хромом внутреннего поверхностного слоя материалов позволит эффективно использовать материал для решения ряда производственных задач, составляют актуальную проблему имеющую большое научное и практическое значение.

Работа выполнялась в соответствии с целевой комплексной программой АН2.25.1.1 «Новые процессы получения и обработки металлических материалов», ГБ работой кафедры «Автоматизированное оборудование «.

Цель диссертационной работы. Разработка технологии комбинированной гальваномеханической обработки ступенчатых цилиндрических поверхностей отверстий, обеспечивающих стабильность характеристик шероховатости поверхности покрытий.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— теоретическое обоснование выбора параметров обработки внутренних поверхностей для получения требуемой шероховатости;

— разработка способа гальваномеханического хромирования (ГМХ) внутренних цилиндрических, ступенчатых, глухих поверхностей деталей;

— исследование процесса получения покрытий с заданной шероховатостью на внутренних поверхностях деталей машин;

— создание инструмента ГМХ для получения качественных хромовых покрытий с требуемыми физико-механическими свойствами;

— разработка оборудования и технологического процесса гальваномеханической обработки хромом применительно к внутренним поверхностям деталей гидроагрегатов.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием научных основ гальваномеханического осаждения, при выполнении работы использовались методы системного анализа, теоретические основы электрохимического формообразования и обеспечения требуемого качества поверхностного слоя. Использовались численные методы, методы алгоритмизации и программирования на языках высокого уровня. Экспериментальные исследования и обработка полученных данных проводилась с использованием современных методик, а постановка и обработка результатов эксперимента с применением методов математической статистики.

Достоверность результатов и выводов по работе обеспечивалась использованием теоретических положений комбинированных методов обработки, применением зарегистрированных методов алгоритмизации и программирования на языках высокого уровня. Достоверность полученных результатов в исследовании обеспечивалась применением апробированных методик. Научные положения подтверждены опытно-промышленным внедрением разработок в производство.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Раскрыт механизм формирования поверхностного слоя деталей машин гальваномеханическим хромированием.

2. Предложена модель процесса обработки и формирования покрытий с требуемой шероховатостью (0,016−0,08 мкм) при гальваномеханическом хромировании внутренних поверхностей изделий.

3. Разработан способ получения покрытий комбинированной обработкой внутренних цилиндрических, ступенчатых, глухих поверхностей деталей.

4. Создано устройство для получения качественных хромовых покрытий с требуемыми физико-механическими свойствами (подана заявка на патент). Создано программное средство для расчета параметров данного устройства.

5. Разработан технологический процесс гальваномеханического хромирования применительно к внутренним поверхностям деталей гидроагрегатов.

Практическая ценность полученных результатов. Технология хромирования внутренних поверхностей и устройство гальваномеханической обработки позволяют получить покрытия требуемого качества с необходимыми физико-механическими свойствами. Разработанный способ позволяет получать покрытия с заданными параметрами шероховатости при комбинированной обработке внутренних цилиндрических, ступенчатых и глухих поверхностей деталей.

Реализация и внедрение результатов работы.

Технология получения размерных покрытий с заданной шероховатостью при комбинированной обработке хромом внутренних поверхностей деталей проверена в производственных условиях и внедрена на предприятии ООО «Инвестпроект» при изготовлении полых деталей 1 200 мм. Экономический эффект от внедрения технологии составил на предприятии 58 000 руб. на 1 деталь, методика получения покрытий на внутренней поверхности деталей с заданными параметрами шероховатости используется в учебном процессе, что подтверждено актами внедрения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: «I Международной научно-технической конференции «СИНТО 1» «Разработка, производство и эксплуатация турбо-, электронасосных агрегатов и систем на их основе» (Воронеж, 2001) — Региональной научно-технической конференции «Теория и практика машиностроительного оборудования» (Воронеж, 2003) — научных конференциях ВГТУ в 2001;2006 годах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 1- в издании, рекомендованных ВАК РФ, 2-зарегестрированнные в ГосФАП программные продукты. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце работы, лично соискателю принадлежит:[79]- исследование области контакта и угловой деформации при воздействии обрабатывающих брусков с поверхностью изделия при гальваническом осаждении хрома- [38, 40, 90]-разработка конструкции оборудования- [28] -исследование процесса получения покрытий с требуемой шероховатостью- [34, 37, 60, 62]-реализация методов и приемов в получении равномерных покрытий- [53, 35]-условий выбора материалов.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложенийизложена на 111 страницах, содержит 40 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 90 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

Основным результатом работы является технология, обеспечивающая требуемое качество поверхности и характеристики покрытий (в частности, беспористость и повышенную коррозионную стойкость) путем стабилизации режимов технологического процесса, а также равномерного воздействия по всей длине обрабатывающего профиля при гальваномеханическом хромировании. Проведенные в работе теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Предложена технология гальваномеханического хромирования с использованием винтового электрода, обеспечивающая гарантированное получение беспористых покрытий с заданными свойствами, позволяющая устранить недостатки известных технологий.

2. Разработана модель процесса обработки и получения с заданными параметрами шероховатости покрытий, раскрывающая механизм осаждения хрома при гальваномеханическом осаждении и создана конечно-элементная модель осаждения покрытий с одновременным механическим воздействием на растущие слои осадков в процессе их роста.

3. Разработан способ гальваномеханического хромирования, отличающийся простотой и универсальностью получения покрытий с требуемой шероховатостью на внутренних цилиндрических, ступенчатых, глухих поверхностей деталей.

4. Создано устройство (подана заявка на патент РФ) и инструмент ГМХ, обеспечивающие в хромовых покрытиях заданные физико-механическими свойствами, а также программное средство, позволяющее скорректировать данные об изделии с требуемыми режимами обработки при исследовании процесса (программное средство № 50 200 601 816).

5. Разработана установки гальваномеханического хромирования для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность изделий цилиндрической формы. Данное устройство позволяет поддерживать режимы обработки на постоянном уровне, что положительно сказывается на качестве получаемых покрытий.

6. Приведены результаты исследований по микротвердости и микроструктуре хромовых покрытий, полученных при комбинированной обработке. Уточнены математические модели, описывающие влияние режимов обработки на перечисленные выше характеристики покрытий.

7. Внедрение технологии на предприятии ООО «Инвестпроект» позволило снизить трудоемкость изготовления деталей, повысить качество и физико-механические свойства деталей с покрытиями. Экономический эффект от внедрения составил 58 тыс. р.