Электротехнологические и механо-металлургические воздействия при наплавке в производстве изделий с заданными свойствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, доктор технических наук Казаков, Юрий Николаевич

• Казаков, Юрий Николаевич
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Казаков, Юрий Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И АНАЛОГИИИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХПРО-ЦЕССОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МЕТАЛЛ И ИХ ОЦЕНКА ПО КРИТЕРИЯМ КАЧЕСТВА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ постановка задач)

1.1. Электротехнологические и термосиловые эффекты формообразующих операций

1.2. Плазменный (дуговой) разряд в технологических целях.

Л • /

1.3. Технологические возможности механической обработки наплавленного металла. :

1.4. Энергетические и гидрометаллургические аспекты электродуговой наплавки.

1.4.1. Классификация деталей, подлежащих наплавке.

1.4.2. Базовые характеристики плазменных (дуговых) разрядов.

1.4.3. Электротехнологические и термосиловые факторы, определяющие тепловые условия и гидромеханику формоизменения металла

1.4.4. Эффекты внешних воздействий на металл и пути управления формообразованием при наплавке.

1.5. Формулировка цели и задач исследования.

2. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОЛОГИИ СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И МЕХАНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ, АДАПТИРОВАННЫХ К УСЛОВИЯМ НАПЛАВКИ (теоретический прогноз).

2.1. Этапы и стадии электротехнологических и механо-металлургических процессов формообразования.

2.2. Анализ и структуризация электротехнологических и механометаллургических параметров и факторов воздействий на металл наплавки.

2.3. Алгоритм научного поиска условий реализации синтеза электротехнологических и механо-металлургических операций.

2.4. Методические аспекты исследований процесса формообразования и свойств металла при комплексной наплавке.

2.4.1. Осциллографирование электротехнологических параметров.

2.4.2. Электромоделирование тепловых процессов на электропроводной бумаге.

2.4.3. Формообразование и свойства металла переменного состава при наплавке образцов с регулируемым профилем. 8Ъ

2.4.4. Технические средства обеспечения исследований качества формообразования и свойств наплавленного металла. выводы 2 главы.

3. АКТИВИЗАЦИЯ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛО-^ ГИЧЕСКИХ И МЕХАНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТ

ВИЙ НА МЕТАЛЛ НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ НАПЛАВКИ. (Этап построения теории).

3.1. Формообразование на стадиях дозированного переноса металла в межэлектродном промежутке и наведения ванны.

3.1.1. Особенности процесса переноса и растекания наплавленных порций металла.

3.1.2. Моделирование контактного взаимодействия обособленных порций металла с подложкой.

3.1.3. Теоретическое описание границ растекания жидкой ванны.

3.1.4. Активизация процесса наплавки на этапе наведения жидкой ванны.

3.1.4.1. Распределение теплового потока, генерируемого электрической дугой.

3.1.4.2. Дуговая наплавка в газопламенной среде.

3.1.4.3. Использование экзотермических реакций при электродуговой наплавке.

3.1.4.4. Эффекты вибрационных воздействий.

3.1.5. Схемы формообразования на этапе наведения жидкой ванны.

3.1.6. Разработка схем формообразования пучком электродов

3.1.6.1. Моделирование процесса нагрева пучка электродов

3.1.6.2. Схемы формообразования обособленных порций металла (тигельный принцип) ^

3.2. Формоизменение наплавляемого металла на этапе его кристаллизации из жидкой ванны.

3.2.1. Активизация процесса перехода наплавленного металла из жидкой фазы в твёрдое состояние. ^у

3.2.2. Теоретическая модель формирования припуска при кристаллизации металла в наплавочных формах.

3.2.3. Схемы активизации наплавки на этапе кристаллизаци из жидкой фазы.

3.3. Формообразование наплавляемого металла на этапе фазоструктур-ных изменений.

3.3.1. Механизм и основные явления контактного взаимодействия в сопряжённых поверхностях. • ^

3.3.2. Схемы наплавки с горячим деформированием

3.3.3. Внешнее воздействие на металл в твёрдой фазе режущим инструментом.

3.3.4. Схемы обработки резанием наплавляемого металла в ходе его нанесения.

3.3.5. Теоретическое обоснование принципа безотходной обработки м еталла резан ием. выводы з главы. 17?

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИНТЕЗА ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И МЕХАНО-МЕТАЛЛУР-ГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. (Этап развития теории). 4.1. Совершенствование средств подачи электродов и дозирования наплавочных материалов на этапе наведения ванны. ^

4.1.1. Постановка задач.

4.1.2. Совершенствование технических средств обеспечения при передаче мощности дуги в изделие.

4.1.3. Армирование токосъёмников для обеспечения стабилизации горения дуги.

4.1.4. Средства дозирования обособленных порций металла при МЭН.

4.2. Средства обеспечения качества формообразования на этапе кристаллизации металла из жидкой ванны.

4.2.1. Разработка материала наплавочных форм и воспроизведение их рельефа.

4.2.2. Воспроизведение тонкого рельефа и заполняемость НФ из формовочных смесей различной рецептуры.

4.2.3. Точность размеров и припуски при нанесении металла в наплавочные формы.

4.3. Средства технологического оснащения на стадиях фазоструктурных превращений металла.

4.3.1. Обоснование целесообразности применения ЛЭМД в качестве привода режущего инструмента. 212 4.3.1.1. Кинетика и режимы тангенциального терморезания с приводом инструмента от ЛЭМД.

4.3.1.2Аналитическое определение энергетических и силовых режимов и основных размеров конструктивных элементов ЛЭМД.

4.3.2. Обоснование целесообразности применения ЛЭМД в качестве привода ФЭ при вытеснении Выбор материала наплавочных форм и исследование степени воспроизведения их формы и рельефа.

4.3.2.1. Аналитическое определение силовых режимов ЛЭМД при вытеснении металла.

4.3.2.2. Анализ тяговых характеристик ЛЭМД при вытеснении наплавляемого металла.

4.3.2.3. Расчёт температуры нагрева обмотки

ЛЭМД с учётом тепла наплавочной ванны.

4.3.2.4. Электронный блок управления силовыми характеристиками ЛЭМД.

4.3.3. Оптимизация геометрии режущего инструмента по критериям стружкообразования и стойкости.

4.4. Технологическое оснащение МЭН.

4.5. Наплавочные установки с гибкой модульной конфигурацией для реализации синтеза формообразующих операций. выводы 4 главы.

5. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И МЕХАНО

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА. {Этап утверждения теории).

5.1. Постановка задач исследования.

5.2. Формирование химического состава и физико-механических свойств металла наплавленного на этапе наведения ванны.

5.3. Регулирование функциональных свойств металла на этапе его кристаллизации из жидкой ванны.

5.3.1. Регулирование химического состава и твёрдости металла с помощью присадочного материала. 5:3.2. Формирование сплава переменного состава.

5.4. Управление свойствами наплавленного металла на этапе перекристаллизации и охлаждения.

5.4.1. Наплавка с направленным охлаждением.

5.4.2. Оценка трещиностойкости сплавов, наплавленных по различным технологическим вариантам принудительного формообразования.

5.4.3. Теоретическое и экспериментальное обоснование снижения остаточных напряжений и деформаций терморезанием металла в домартенситной зоне.

5.4.4. Сравнительная износостойкость образцов, наплавленных при различных внешних воздействиях. выводы 5 главы.

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМПЛЕКСНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ КАЧЕСТВА ФОМООБРАЗОВАНИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ. (Практическое применение).

6.1. Методический аспект.

6.2. Характерные примеры применения комбинированной наплавки для получения деталей с улучшенными свойствами.

6.2.1. Конструкторско-технологическая оптимизация катушки барабана с износостойкой наплавкой крановых лебёдок.

6.2.2. Обоснование целесообразности наплавки опорных слоёв переменного состава при восстановлении колесных пар ж/д вагонов.

6.2.3. Оптимизация формы наплавленной поверхности, соответствующей геометрии естественного износа

6 2.4. Технологические приёмы наплавки сложнопрофильных деталей.

6.2.5. Коленчатый вал с бронзовым покрытием (эффект обратной пары) '

6.2.6. Конструкторско-технологическая оптимизация шнека мас-лопресса.

6.2.7. Наплавка режущих элементов строительно-дорожных машин (С ДМ)

6.2.8. Наплавка режущих элементов ножа для рубки катанкии гравюры штампов.

6.3. Формирование шероховатости поверхности при нанесении металла с принудительным формообразованием.

6.4. Экономическая оценка технических решений (на примере технологии восстановления колёсной пары).

ВЫВОДЫ 6 ГЛАВЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 ФЭ; в - ввода термореагирующих присадок, локального охлаждения, удержания металла от стекания и технологических приёмов МЭН; г - тангенциального терморезания в ходе нанесения металла; д -применения 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 компонентов; б - 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 вибрации; в - комплекс формообразующих устройств, включая промежуточные теплопоглощающие, электропроводные ФЭ; г - электромагнитный привод исполнительных механизмов, обеспечивающий согласованные действия процессов нанесения металла, его вытеснения в жидкой, твёрдой и промежуточной фазах, и терморезания; д - 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, утолщений; режущие 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 65Г.

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 станов; шнековых витков маслопрессов; деталей ж/д вагонов; ножей бульдозеров; штампов 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, Краматорске; Рыбинске, Пензе, Орле, Перьми, а также на различных выставках в Москве (ВДНХ, серебряная медаль), во ВТУЗе АЗЛК; в 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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнология», Казаков, Юрий Николаевич

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 плавления; б - использования НФ и промежуточных элементов из смесей оригинальной рецептуры, пуансонного вытеснения, погружения стержней, вибрируемых электродов, подложек и ФЭ; в - ввода термореагирующих присадок и инициирования СВС — реакций с помощью наплавочной ванны расплава; г - локального направленного охлаждения и удержания металла от стекания за счёт его скоростного затвердевания; д - 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 слоями; б - 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 вибрации; г - привод исполнительных механизмов, обеспечивающий согласованные действия процессов нанесения металла, его вытеснения в жидкой, твёрдой и промежуточной фазах и терморезания; д - 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. 10мм 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.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Казаков, Юрий Николаевич, 2004 год

1. Абрамович В.Р., Демянцевич В.П., Ефимов J1.A. Сварка плавлением меди и сплавов на медной основе. - Л.: Машиностроение, 1988,- 215 с.

2. Авдеев М.В. О распределении температуры в сварочной ванне. /Сварочное, пр-во, 1974.-№ П.-С.29-32.

3. Абрамян Е.А., Альтеркоп, Кулешов Г .Д. Интенсивные электронные пучки. М. Энергоатомиздат, 1984.-232 с.

4. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением.- М.: Машиностроение, 1977. 432 с.

5. Алабужев П.М. Теория подобия и размерностей М.: Высшая шк., 1968. -137с

6. Александров В.М., Мхитарян С.М. Контактные задачи для тел с тонкими покрытиями и прослойками. М.: Наука, 1983. - 488 с.

7. Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе Л.А. Основы электродинамики плазмы. М.: Высшая шк., 1978. - 407 с.

8. Андреев В.В., Ушаков М.В. Термитная сварка никелевых и медноникелевых сплавов // Сварочное пр-во, 1987,- № 5 С 13-15.

9. Андронов С Ф. Установка для наплавки 011-1-06.01 Ремдеталь. // Сварочн. пр., 1987,-№ 10,-С 23.

10. Асташов А.Ф. Ломтев В.В. Прессование заготовок из расплава стали. М.: Машиностроитель, 1972.- № 9. - С 24-25

11. Афанаскин А. В. Обоснование методов температурно-скоростной ресурсосберегающей обработки стали Р6М5 с использованием сверхпластично-сти./Аавтореферат диссертации к.т.н. РИИЖТ. Ростов на Дону, .2003. 16с.

12. Бабичев А.П. Вибрационная обработка деталей.- М.: Маш-е, 1974. 134 с.

13. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливок. М.: Маш-е. 1978 -328с

14. Балабанов А.Н. Технологичность конструкций машин — М.: Маш-е, 1987- 336

15. Батышев А.И., Любавин А.С., Безпалько В.И. Опыт литья с кристаллизацией под давлением,- М.: МДНТП. 1984. С 122-126.

16. Батышев А.И. Кристаллизация металлов и сплавов под давлением.- М.: Металлургия. 1977 151 с.

17. Баум Б.А. Металлические жидкости проблемы и гипотезы.- М.: Наука, 1979.120 с.

18. Башкатов А.В., Глотов B.C., Углов А.А. Влияние гидродинамических явлений в сварочной ванне на формирование шва при ЭЛС, «Физика и химия обработки материалов», 1972, № 4.

19. Бенуа Ф.Ф., Вологдин Н.В., Катлер А.И. Исследование влияние вибрации на процесс кристаллизации и структуру наплавленного металла при ванношлако-вой сварке. «Сварочное производство», 1958, № 5.

20. Белопухов А.К. Технологические режимы литья под давлением. М.: Машиностроение, 1985,- 272 с.

21. Безъязычный В.Ф. Прогнозирование и управление эксплуатационными свойствами деталей на стадии технологической подготовки производства и в процессе23.