автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Электротехнологические и механо-металлургические воздействия при наплавке в производстве изделий с заданными свойствами

На правах рукописи

Казаков Юрий Николаевич

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И МЕХАНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ НАПЛАВКЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Специальности: 05.09.10 - Электротехнология 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Саратов 2004

Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Лясников Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Рубцов Виктор Петрович

доктор технических наук, профессор Загородских Борис Павлович

доктор технических наук, профессор Царёв Владислав Алексеевич

Ведущая организация: ЗАО Саратовский научно-

исследовательский институт машиностроения - 28, г. Саратов

Защита состоится Я декабря 2004 г. в 12ой часов на заседании диссертационного совета Д212 242.10 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 4100054, Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд. 319

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан « У » ноября 2004 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета А. А. Казинский

¿царь-¿г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Электротехнологические процессы являются эффективным средством упрочнения деталей машин и инструмента при их изготовлении и восстановлении. Среди них доминируют дуговые (плазменные) процессы наплавки.

Однако спонтанный и нестабильный характер переноса металла в межэлектродном промежутке (МЭП), наведения жидкой ванны и кристаллизации часто сводят к нулю многие достоинства дуговой наплавки и сужают область её рационального использования. Повышенная твёрдость и большие 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 часто исходят не из условия качества металла, а из его лучшей обрабатываемости.

Существующие приёмы активизации тепловых и гидромеханических процессов, используемых в различных технологиях, ориентируют на развитие идеи синтеза электротехнологических и механо-металлур-гических воздействий на металл, адаптированных к условиям наплавки. Локальный резерв тепла, генерируемый электрической дуг ой, и временное нахождение металла в разупрочнённом состоянии создают определённые предпосылки к использованию удерживающих, вытесняющих, деформирующих и режущих формообразующих элементов (ФЭ).

Контакт ФЭ с расплавом будет существенно сказываться на тепло-гидромеханической обстановке в технологической зоне (жидкотекуче-сти, турбуляризации, конвективных потоках, перемешивании расплава, зарождении центров кристаллизации, новых фаз и пр.) и термодеформационных циклах. Поэтому практическая реализация идеи синтеза наталкивается на ряд ограничений, связанных с низким термическим КПД наплавки, отсутствием научно обоснованных температурно-скоростных параметров и режимов переноса, нанесения и обработки металла. Стеснённые условия наплавки, отсутствие методов и средств технологического обеспечения и данных о стойкости ФЭ также придают проблемный характер использования дополнительных воздействий на металл при его нанесении.

Цель работы: обеспечить высокое качество формообразования и заданные функциональные свойства деталей машин и инструмента различного назначения, используя комплекс электротехнологических и ме-хано-металлургических воздействий на металл в процессе электродуговой наплавки.

Для решения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

- оценить эффективность использования тепловой энергии, генерируемой электрической дугой (плазмой) при наплавке по критериям формообразования и свойств металла и разработать общую концепцию по её совершенствованию;

- провести структурно-параметрический анализ энергетических затрат и внешних воздействий на металл, адаптированных к условиям наплавки, и разработать методологию их исследований;

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

- разработать средства технологического оснащения, обеспечивающие реализацию технологического синтеза;

- определить основные закономерности влияния параметров и факторов электротехнологических 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 и экономической целесообразности.

Методы и средства исследований базировались на фундаментальных положениях электротехнологических процессов с привлечением теории классической I идромеханики, пластичности, тепловых и контактных явлений, а также с использованием математического и физического моделирования (на моделях из электропроводной бумаги и образцах переменного сечения и состава). Качество металла оценивалось с помощью металлографии, фазоструктурного анализа, исследований твёрдости и трещиностойкости, шероховатости поверхности, износостойкости, дилатометрии и деформаций с широким привлечением методов планирования экспериментов, математической статистики, ЭВМ.

Научная новизна заключается в разработке концепции технологического синтеза дуговой наплавки и механо-металлургических воздействий на металл, научные положения которой выносятся на защиту:

1 Установлена возможность активного управления формообразованием наплавленных рабочих элементов (НРЭ) путём регулирования тепла, генерируемого дугой и аккумулированного в детали, а также использования временного разупрочнения металла для обеспечения электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл.

2 Разработана методология исследования электротехнологического и механо-металлургического воздействия на металл, отражающая механизм поэтапного формообразования при переносе металла в МЭП, наведении ванны, кристаллизации и фазоструктурных изменениях в металле.

3. Получены физические и математические модели, расчётные соотношения, адекватно отражающие закономерности изменения тепловой и гидромеханической обстановки в технологической зоне формоизменения металла в условиях структурно-параметрического синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на него.

4. Созданы средства технологического оснащения и наплавочные установки, отличающиеся гибкой модульной конфигурацией, обеспечивающие направленное формообразование металла за счёт использования наплавочных форм (НФ), вытесняющих, деформирующих и режущих ФЭ и оригинального привода исполнительных механизмов от линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД).

5. Выявлены закономерности и взаимосвязи, отражающие влияние электротехнологических и механо-металлургических параметров и факторов на качество формообразования и функциональные свойства наплавляемого металла, отражающие:

- повышение точности дозирования обособленных порций металла (ОПМ) и их свойств за счёт применения неплавящегося электрода - жёлоба, пучка электродов с центральной проволокой (или защемлённым 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 наплавочных форм (НФ) и ФЭ, перемешивания присадок в ванне расплава;

- возможность воспроизведения тонкого рельефа, минимизация припуска на обработку (0,1 - 0,5 мм) за счёт использования ФЭ, полимери-зуемых и электропроводных НФ и промежуточных элементов, экзотермических брикетов в периферийных зонах НРЭ и инициирования реакции самораспросграняющегося высокотемпературного синтеза (СВС) теплом наплавочной ванны;

- снижение деформаций деталей путём снятия металла в домартенсит-ной зоне в ходе его нанесения за счёт дилатометрического градиента.

6. Разработаны технологии наплавки, расширяющие сферу её применения и позволяющие получать детали машин и инструмента с улучшенными функциональными свойствами. Теоретически доказан и экспериментально потверждён эффект «безотходности» при резании металла за счёт переплава стружки, снимаемой возвратно-качательным или строгальным резцом в ходе наплавки.

Практическая ценность и реализация работы. Результаты исследований положены в основу разработки новых и оптимизации существующих технологических процессов и конструкторско-технологичес-кого совершенствования изделий различного назначения, позволяющих:

- получать мелкоразмерные изделия и НРЭ путём дозирования ОПМ;

- создавать тонкий и сложный рельеф (например, гравюр штампов до 0,2 - 0,5 мм), детали зубчатого профиля и художественного назначения, выступы, утолщения и пр. путём термосилового воздействия;

- армировать покрытия карбидообразующими элементами для обратных пар трения и получать сплавы переменного состава и с улучшенными трибологическими и другими свойствами;

- реализовать эффект Шульца путём нанесения покрытий, соответствующих форме естественного износа и с низкой шероховатостью.

Прикладной характер исследований даёт возможность количественно оценить регулирующие функции электрических и силовых режимов комплексной наплавки, отражающих их влияние на геометрию НРЭ, величину припуска и шероховатость поверхности. Разработанные технологии, благодаря простоте и универсальности, легко адаптируются к любым условиям производства и позволяют осуществить быструю её переориентацию, что важно для условий рыночной конъюнктуры.

Оценка свойств деталей с НРЭ по критериям технико-экономической целесообразности показала высокую эффективность при внедрении разработок в производство и учебный процесс.

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 по 2004 г. в городах: Москве, Киеве, Санкт-Петербурге, Самаре, Кишинёве, Уфе, Харькове, Екатеринбурге, Волгограде, Краматорске; Рыбинске, Саратове, Пензе, Орле, Перми, а также на ежегодных научных конференциях в СГТУ (Саратов) и на различных выставках в Москве (ВДНХ, серебряная медаль), во ВТУЗе АЗЛК; в Лейпциге.

Публикации. По теме диссертации имеется 120 публикаций (в том числе- 8 публикаций в центральных изданиях, включённых в перечень периодических изданий ВАК РФ, монография, 14 а. с. на изобретения и патентов, 6 учебных пособий, внедрённых в учебный процесс, остальные статьи в центральных журналах и научных сборниках).

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Изложена на 390 е., включает 252 рисунка и 69 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сущность исследуемой научно-технической проблемы. Приведены аргументы, отражающие идею совмещения наплавки с электротехнологическими и механо-металлурги-ческими воздействиями с указанием новизны и практической ценности.

В первой главе проведён структурный и параметрический анализ различных методов получения заготовок, который выявил аналогии и различия, а также положительные эффекты от дополнительных термосиловых воздействий на металл (табл. 1).

Таблица 1

Аналогии и положительные эффекты формообразующих операций*

Приемы (средства) наплавки Аналоги Положительные эффекты аналогов Сходство физических признаков

Наплавочные формы (НФ) Литьё Способность воспринимать профиль и рельеф формы Формообразование металла в жидкой фазе

Вытеснение металла, погружение стержня Жидкая штамповка Снижение технологических усилий, повышение производительности Формообразование в металла в вязкопла-стичной фазе

Снятие стружки в процессе наплавки Терморезание (ПМО) Снижение сил резания, рост стойкости резца, обработка с притуплённой кромкой Стружкообразование, физико-механические свойства при нагреве

Наложение низкочастотных колебаний и (одиночных ударов) ОМД, штамповка, прессование, Восприятие тонкого рельефа ФЭ, упрочняющий эффект, получение периодического профиля Ударный характер нагрузки, сходство контактных взаимодействий и кинематики

Применение порошковых присадок Сварка, ПМ, СВС-процесс Металлургические процессы (диффузия) Легирующие (армирующие) эффекты. Гибкость технологии Металлургические (те-плогидромеханиче-ские) процессы, механизм кристаллизации

Направленное охлаждение ТО Благоприятные структуры и ф-м свойства металла Термоскоростные процессы

*Примечание■ ТО - термоообработка; ПМО - плазменно-механическая обработка; ПМ - порошковая металлургия, СВС - самораспространяющийся высокотемпературный синтез; ОМД - обработка металла давлением

Теоретической основой разработки идеи использования технологического тепла, генерируемого дугой, для синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл послужил эмпирический базис, составленный из наиболее близких по техническим замыслам работ ведущих учёных из различных отраслей знаний;

•теплогидромеханики наплавки, сварки и литья: М.В. Авдеева, Г.Ф. Баландина, А.И. Батышева, H.H. Белоусова, Г.Ф. Деева, В.И. Дятлова, В.А. Ефимова, И.Б Куманина, B.C. Серебро, Н.А Соколова, Б.И. Медовара; В.В. Меликова, А. Хасуй, Б.Ф. Якушина, Г.Д. Никифорова и др.;

•термосиловых, импульсных и контактных явлений при ОМД: И.Ф Гончаревича, Г.Я. Гуна, П.И Полухина, Д. Кумабэ и др;

• стружкообразования и формирования качества поверхности при обработке резанием. В.Ф. Безъязычного, Н.Б Дёмкина, В.Н. Подураева, Э В. Рыжова, А.Г. Суслова, Е.М. Трента, П.И Ящерицына и др.;

• физико-металлургических и тепловых процессов сварки, наплавки

A.M. Болдырева, Б.М. Березовского, Н.М. Воропая, П.В. Гладкого, В.П. Демянцевича, В.И. Дятлова, A.A. Ерохина, Е.О. Патона, Г.И. Лескова, Н.М Новожилова, H.H. Рыкалина, В.И. Столбова, И И Фрумина и др.;

• формообразования при совмещённых технологиях Б.А. Артамонова, Б.М. Аскинази, Н.И. Бойко, Т.Н. Лоладзе, И.Р. Пацкевича, П.Н. Попова, А Н. Резникова, Л.А. Иванова, Г.А. Иващенко, М.М. Сафарова,

B.П. Смоленцева, М.А. Шатерина, Б.П. Шляпина и др.

Не зная физической сути теплогидромеханических и контактных явлений при воздействиях на металл, реализация идеи синтеза затруднена. В этой связи составлен критериальный фонд показателей качества изделий и упрощённые математические модели, отражающие зависимость контролируемых параметров (Х„ У„ Z,) от режимов электротехнологического (<7Э), включая наплавку с короткими замыканиями (КЗ), а также формообразующих процессов, факторов термосилового (VP) и временного^ и скоростного (ир) характера (табл. 2).

Таблица 2

Критериальный фонд выходных параметров качества формообразования*

I ХНФ =Ф(1Ю Um vw Ч, г) Уна =Ф(Я»Г,0, Р,М,т) гв ц м, % Г)

2 ХФ Т°,Пфмо, D, т) Уг-Ф(а*Г, <rm,p,Pt) 2п = Ф(Яэ, 1°,ХСф,ХСм, ?)

3 Хш =Ф (q„ Г,6, Р, т) Ут =Ф (q„T, Р, т) Zn ~Ф(я„Г, и, S, I, т)

4 Xz^far.üvSe.tc.t) Ук =Ф (q„r,S, Р, М, т) 7.ф = Ф(ч„Г,6, Р, М, г)

*Примечание 1- комплексная наплавка, 2 - литьё; 3 - ОМД; 4 - резание. Параметры. 1 ХНф- наплавочной формы, Уцд~ деформаций; 2Р- размеров, 2) X,® -формы НРЭ; Ур - рельефа, Z^^ - пригара; 3) Хш - шероховатости; Уг~ точности обработки; 7,ц - последействия; 4) Хг~ квалитета точности; У к - шероховатости; '¿ф - погрешность формы детали. 5-толщина, О - базовый размер; М- свойства материала, Пф, Пи, П0 - соответственно, погрешность изготовления НФ, инструмента и оснастки; сг„„ - поверхностное натяжение; ор, - скорость, подача и глубина резания

Установленные в обзоре регулирующие функции и положительные эффекты электротехнологических воздействий позволили сформулировать задачи исследования и перейти к методическим разработкам.

Во второй главе разработана общая методология структурно-параметрического синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл. Многообразие деталей и многоаспектный характер взаимосвязей при наплавке потребовали дифференцированного подхода к изучению процессов наплавочных процессов (рис. 1).

Рис.1

0 сложности взаимосвязей между параметрами режимов нанесения металла и его свойствами свидетельствует многофункциональная зависимость:

IН> 0Ч1 I а, 5д, Од, Рд

Ф(аш И

и» °т» Е>, Тр, /?/, (Л, ¡Лу Л/, Опли у щ, г, рь 3,]с, В, Я, Ь, в, н, /, к), (1)

где: 1„, и„, и„ - ток, напряжение, скорость наплавки, г„, иа - глубина, шаг и скорость внешнего воздействия; /0, Ра - частота и сила внешнего воздействия; <т„, - внутренние напряжения, Л„,- глубина наклёпа; Т0 - допуск; сгт , Е, тР, - предел текучести, модуль упругости и сопротивление пластическому сдвигу; Д а, /л - коэффициент температурного расширения, температуропроводности и Пуассона; Л„ и вш1 - коэффициенты теплопроводности и температура плавления НРЭ, ФЭ и оснастки; а, у, <р, - углы ФЭ; г - радиус округления рабочих кромок ФЭ;/С,- жёсткость технологической системы; В, Н, Ь, в, н, I - размеры жидкой ванны и НРЭ (ширина, высота, длина).

Из зависимости (1) следует, что наплавку можно отнести к слабо структурированным системам, и её точное решение вряд ли возможно. Но она позволяет наметить пути минимизации погрешностей формы и размеров НРЭ и спрогнозировать их свойства.

Разработанная схема управления формообразованием и свойствами металла в ходе его нанесения (рис 2) позволила перейти к составлению методологии исследования представляющей разветвлённый алгоритм поисковой оптимизации процессов управления формообразованием и свойствами НРЭ. Методология предполагает проведение исследований по трём связанным общей идеологией этапам:

1 - наведения ванны;

2 - кристаллизации;

3 - фазоструктурной рекристаллизации (рис 3).

Материал формы:песчано-смоляные.

полимеризуемые, глинистые, металлические, графитовые, керамизированные, кирпичные, с опорным слоем_

Форма сечения: прямоугольник, треугольник, круг, сложная, переменная Компоновочные признаки формы: составные, приставные, надставные, с замкнутым. (разомкнутым) контуром

Специфические признаки: вибраци-

онные, охлаждаемые (неохлаждаемые); тугоплавкие; одно - и многоразовые; подвижные (неподвижные), разъёмные (неразъемные); электропроводные; сырые (сухие); со вставками; глубоки; мелкие; широкие - узкие; экзотермические, деструк-турирующие полиме^/" НАЛ

ризуемые, ЛАВО'

ударные.

Привод ФЭ: электрический, механи-

ческий (реечный, рычажный, винтовой), пневматический, гидравлический, электромагнитный и др_

Кинетический признак: поступа-

тельное, вращательное, прямолинейное, криволинейное, возвратно -вращательное, качательное, прерывистое, импульсное движение ФЭ. Для ОМД: пуансоны, бойки с плоским, конусным, сферическим и др. окончаниями; пластины, прутки, гибкие элементы, ролики, вибропластины, керамические стержни. Для снятия металла: фреза, ¿ротяжка; абразивный круг, езцы, возвратно-ка-ИН- ^"ч^чательный, токар-

Энерге \

тическке\ параметрьЯ

скорости подач электро дов, присадок I, и, (1„ п„ и„ (щадящий, сред-\ ний, форсирован-^ ный режимы). Режимы: коротких замыканий, тигельный, бифилярный Геометрические параметры: смещение

УПРАВЛЕНИЕ формообразованием.„ и качеством*

Вид электрода:

проволо ки, лента, сплошного, порошкового, ме-таллокерами-ческого сечений; штучные плавящиеся и неплавящиеся электроды (вольфрамовые, угольные) экзотермические смеси (теримитные СВС-материалы); пластины, крупка, стружка, брикеты, порошки переменного сечения. Защитные среды: флюсы; газы,флюсы-смеси_

электрода с зенита, его вылет, наклон, раз-движение; смещение, расстановка эл-ов (шахматная, в линию, под углом последовательная), подача электродов с разными между собой скоростями, химсоставом, (I, Кинематические признаки: манипуляция направлением, местом начала наплавки, подачи присадки, наплавка в раздельные ванны отдельными участками, по спирали, МЭН, укладка валиков сетчатая, полосчатая, сплошная, отдельными точками, круговая, пучком электродов с центральной проволокой. Положение дуги и (ФЭ): вер -тикальное, горизонтальное, наклонное. Ввод присадки: перед дугой, за ней и рядом с дугой; защемление порошка или стержня между электродами (в пучке)_

Рис. 2

Теоретические обобщения Эмпирический базис

Структурные элементы _процесса__

Поиск аналогий физических признаков из смежных наук

ЕОРР ЭЛЕКТРОСИЛОВЫХ 1 ВОЗДЕЙСТВИЙ

Этап построе ния геории

Этапы и стадии Формообразования Г^ Система взглядов Т на процесс формообразования]

Поверхностные явления Стружкообразование Контактные явления в технологических зонах Теплофизика и гидроме- ■ ханика сварочной ванны

Структурные элементы теории

Приёмы МЭН, косвенная дуга, СВС-техно.югии

Технологические ориентиры Концентрация тепловой мощности, технологичность плазменно-дуговых процессов Технологичность (упрочняющие эффекты) •наплавки Гибкое легирование и армирование Направленное формирование св-в, универсальность ^Удерживающие, выглаживающие эффекты наплавки с принудительным формообразованием.

Теоретические предпосылки

Регулирующие функции дуги; охлаждающих сред, термосиловых и экзотермических воздействий Рост термического КПД дуги Использование свойств металла аккумулировать тепло, генерируемое дугой,и временно находиться в разупрочненном состоянии. Аналогии физических признаков наплавки с др процессами.

Переплав стружки, присадки. Терморезание

Вибрационные технологии

Вытеснение металла~ Погружение стержня

Экзотермические реакции промежуточные элемент Наплавочные формы (НФ)

Методы и средства технологического ^у синтеза

I Оценочные параметры

Стабильность, эластичность дуги Точность капельного переноса, ¡дозирования ОПМ и воспроизведения рельефа (жидкотекучесть ¡наплавочный радиус, коэффициент заполнения НФ и формооб-| разования). Пригар, деструкция . ¡Коэффициенты вариации пара-(метров дуги, структуры, твёрдо! ста Трещиностойкость. Дефор-| мации. Трибологические св-ва.

■►¡Стойкость инструмента. Припуск ¡точность размеров.

Оценка качества по критериям тёхнико-экономическои целесообразности ~

а -слои переменного состава и в виде формы естественного износа; б - детали с высокими трибологическими свойствами (для обратных пар трения, термореагирую-щих вставок, армированных опорных слоёв, с эффектом самозатачивания); в - зубчатого профиля, д - утолщений, тонкого рельефа, е -штампового инструмента, изделий типа шнека, с утолщениями, художественного и медицинского назначения и пр ...... Рис.:!. Методология исследований" ......

Методикой предполагалась разработка технологии получения образцов из сплавов переменного состава в сочетании с математическим планированием экспериментов. При этом из множества вариантов тем-пературно-скоростных параметров режима и средств технологического оснащения планировалось выбрать наиболее рациональные с точки зрения получения заданной формы НРЭ.

Результаты исследований Л.И. Коздобы свидетельствуют об эффективности метода электромоделирования на электропроводной бумаге, основанного на аналогии тепловых и электрических процессов:

дгТ/дг2ЧХ/су)(д2Т /дх2+<ЗТ/д/); д2 и/дт2а 02 и/дх + д2 и/3/).

Аналогом температуры Т является электрический потенциал и, а теплосопротивления А/су - удельная электропроводность и Этот метод принят для определения теплоаккумулирующей способности расплава, изучения теплообменных процессов в контактных зонах ФЭ с наплавляемым металлом, а также повышения термического КПД наплавки.

В третьей главе на основе формализации эмпирического базиса, составленного в виде элементарной системы процесса формообразования (рис 4), и теплогидромеханических взглядов, выраженных в виде физических моделей, расчётных зависимостей, разработаны принципы и технологические схемы синтеза формообразующих операций.

На стадии переноса металла в МЭП и наведения жидкой ванны уже закладываются геометрические параметры НРЭ, что важно с точки зрения фиксации формы ОПМ и последующей штамповки. Точность дозирования (массы - т „ длины ванны - £.«,) зависит от характера переноса металла в МЭП и режимов наплавки тк=ан 1„ т„Ьв ■= к1/„ /„, где ан - коэффициент наплавки; г„ - время наплавки.

С помощью модульного регистратора сигналов по осциллограмме тока определены основные характеристики дугового разряда (количество коротких замыканий, длительность сигнала, стабильность и эластичность дуги, характер капельного переноса, время выхода на стабильный режим) в условиях применения различных наплавочных материалов и технологических приёмов наплавки.

Установлено, что увеличение количества электродов в пучке и подстуживание центральной проволокой с большим омическим сопротивлением способствуют крупнокапельному переносу. При этом количество тепла £д и масса общей капли тк выражается в виде сумм:

Ец = (Ец* + (Чщ + Чдц): тк = тэ + тц,

Внешние воздействия на наплавляемый металл

Формы (X.) Вытеснение, (Хг) Удар (*з) Вибрации Ы) Резание (х5) Применение присадки, (х6) Экзотермические реакции, Ои)

Вход (X,) Н ОБЪЕКТ ) Выход (У,)

(факторы) Уп=Г(Х!) (критериальный фонд)

1.0сновной металл

Тепловые (X)) да 2. Наплавленный (У) К3(У,), ЛН(У2), Ьв(Уз);

Силовые (Х2) _Ь- металл —► К(У4), рн(У5), Яг(У6)

Гидромеханические 3. Защитная среда 0(У7), Пр(У„); Ы(У„)

СX ¿(.Формообразующий У„ =/(Х, хд

элемент

Рис 4. Элементарная система комплексного формообразования Кз - коэффициент заполнения НФ, АН - глубина рельефа, /г., - высота изотерм кристаллизации, р„ -наплавочный радиус, Иг - шероховатость, О - величина деструкции ФЭ; Пр - припуск

где ц-, = ктп [(1п&п)+ (1ц Кц)]: к ~ теплоэлектрический эквивалент; г„ -время плавления проволок; т3тл тц - масса капель электродов и центральной проволоки. Так как центральная проволока в пучке напрямую не контактирует с токосъёмником, ток, проходящий по центральной проволоке, будет ограничен и скорость его плавления (ич пр) будет снижаться: ич „р < ип,, а соседние капли - подстуживаться и укрупняться (рис 5 а). Об этом свидетельствуют осциллограммы тока, из которых видно, что наличие центральной проволоки удваивает время между разрядами (кривая II, рис. 5 б) . I КО

/, А

■--- ^—: а

УДЗцУУ: УУ; У-у^^/ч Уч >> >%•„

)- ' - <г— Т,' 1ГГ О

I1-

1 2 3

5 б

тгпг

7 8 9

12 3 4 количество разрядов б

Рис. 5. Модель передачи теплоты проволокам (а) и осциллограммы тока (б) без центрального электрода (I) и с центральным электродом (II) с повышенным электросопротивлением <37 -тепловая мощность дуги (на торце электрода), Ц2 - тепловая мощность, распространяемая в стержне джоучевым теплом, А ! - условный перебег капли центральной проволоки // ¡2, /,, - ток первого, второго электрода и нейтральной проволоки, соответственно

Выразив тк через коэффициент наплавки {тк= ан1„т), получим: £тк= г (ащ 1Ч +анэ (2)

Из (2) следует, во сколько раз снижается скорость плавления электрода ик = тк/т, во столько же раз вырастет масса переносимых капель {ЕгпО- Результаты статистического микрометрирования застывших капель на электродах подтверждают этот тезис.

При наплавке пучком электродов совокупность капель ус-

ловно обозначается как обособленные порции металла (ОПМ) Изменение формы ОПМ происходит в результате нарушения равновесия сил под действием перепада давлений АР в момент контакта с подложкой (НФ):

ЛР> <упр{1/3кR2(1-Cos 9)[4-2Cosв (I-Cosв)]}/Sind, (3)

где S, h - площадь и высота деформирования; апр и в - прочность и угол во фронте растекания металла.

На размеры и форму ОПМ влияет скорость переноса (vKp) и растекания (и„р) металла. Преобразуя известное классическое уравнение движения жидкости m/iOi/dr = mKg- Rc - mKg — cf(pcpvK2/2) S, можно определить их критические значения, при которых форма СЯМ фиксируется:

uKp ~ [4ржопн /(cfPcp2 g)f4; Unp «[(8/3) р„ R / cfPcp]m, (4)

где g - ускорение; ик - скорость переноса; Rc - сопротивление растеканию; Cf- коэффициент сопротивления среды; S - Миделево сечение; г„ -время наплавки th=Xl bh/тг г2иэу/, зависящее от объёма НРЭ (XL Ъ И), скорости оэ, радиуса гэ коэффициента угара щ рж, Pmt рср - плотность расплава, твёрдого металла и окружающей среды.

Кинетика растекания ОПМ гидростатического давления Рь и внешних сил Рш наглядно фиксирует образование р„, и Хь которые по существу представляют припуск на обработку (рис. 6).

Рис 6 Модель растекания расплава при свободном (а) и принудительном формообразовании (б) рн - наплавочный радиус; "в - угол смачивания; <5з, 82, и Из, йл А/ -глубина проплавления и высота наплавки; ир - скорость растекания

Их величину описывает модель, полученная на основе уравнения Лапласа для движущейся жидкости и граничных условий (p¡ = оо, Z- О, х=х0, d?Jdx= -ctg &i):

XL = [(3/2 aH I„ х)ам (Кш + Cos в)/ (в ц рж)]шт]ш + х0, (5) р„ «Z0 = h- [h2 - 2а2 (1 - Sin в,)]'"2, где а2 ~ ипн/ pg- капиллярная постоянная; Кш - коэффициент шероховатости подложки; х0 - начальная координата. Величины р„ и XL ориентируют на правильное размещение ФЭ и выбор сбалансированных режимов наплавки. Например, неравенство икр > S¿ ии/Хг можно считать концептуальным, так как при наплавке в оболочковые формы деструкция НФ (5¿) наступает после затвердевания металла.

Из анализа равновесия сил, действующих в зоне контакта получена зависимость глубины заполнения тонкого рельефа Нэ:

Н3 = Но- ат / (Pz~ PJ (1+ Cos в/Sin <р); (б)

где Но - глубина рельефа ФЭ (НФ), Рг - давление газа; P¿- суммарное давление, слагаемые которого состоят из: Ргс~ mMghM - гидростатического напора, Рд=к // - давления дуги, Рф - тф g Иф - давления защитных сред, Ргд = тРаР- гидродинамической составляющей, Рвд = pS„ - внешнего давления ФЭ; (р - угол профиля рельефа.

Направленный ввод тепла от экзотермических реакций в режиме термитных и СВС - процессов, а также газового пламени в зону горения дуги повышает уровень воспроизведения тонкого рельефа ФЭ (до 0,2... 0,3 мм), коэффициент заполнения НФ и уменьшает рн а 6-7 раз.

Вибрации электродов, подложки и расплава почти вдвое повышают точность дозировки ОПМ, Ну и снижают рн.

Полученные выражения (2...6) послужили теоретической основой для разработки технологических схем дозирования ОПМ: 1 - изменением числа электродов и присадочных проволок; 2 - защемлением порошка в пучке электродов; 3 - использование косвенной дуги, генерируемой пучком электродов; 4 - использование неплавящегося электрода - жёлоба; 5 - дозирование по схеме бифилярного плавления.

На этапе кристаллизации из жидкой ванны эффективны механические пульсации (0,5...5 Гц) через жидкую фазу на зарождающиеся кристаллы (дендриты). В этом случае силы, действующие на расплав РР и на кристаллизующиеся частицы Рч, вызывают гомогенное зарождение кристаллов и их дробление, зависящие от амплитуды А, массы тчя размера d частиц, частоты колебаний v; динамической вязкости r¡ и смещения в расплаве е:

Рч=тчА J, РР = 81 r¡¿/2ifpep v(2p4+ if.

Задаваясь скоростью кристаллизации vK и размером дендритов Ló, можно определить частоту / и амплитуду Аст перемещения подвижной стенки НФ с приводом от ЛЭМД: /= ик / L0, Аст - и„ Т; где Г- периодичность виброударов Установлено, что расплав и корочка металла периодически теряют контакт с подвижной стенкой НФ уже при 0,5 Гц, что заметно снижает деструкцию оболочек ФЭ, измельчает зерно (на 2...3 балла) и уменьшает столбчатость структуры. Результаты оценки степени усвоения и распределения тугоплавких порошковых присадок подтвердили справедливость изложенных теоретических взглядов на механизм кристаллизации металла в НФ с подвижной стенкой.

На этапе фазовой рекристаллизации важно знать допустимое время физического контакта t и критическую силу QKp, при которых исключается плотная адгезия. Силы, способные вызвать плотный контакт, зависят от сближения поверхностей е, коэффициентов обработки v, шероховатости Rz, контурной площади A¿ Q =3¿/vcrmAc Rz. Плотная адгезия активно проявляется при е< (4 ..5) 10'7мм. Для определения темпе-ратурно-временных и силовых параметров режима обработки была принята модель взаимодействия твёрдого пуансона с пластичным металлом, где каждая из неровностей п поверхности ФЭ представляет выступ с радиусом R, углом охвата (р и глубиной внедрения х = R (1 - Cos <р).

Расчёты t и Q позволили выявить из множества вариантов силовых воздействий такие, при которых плотный контакт между разогретым металлом и ФЭ отсутствует:

Q=<jm7tR2[(l-cp+rc/2)Sin2 (р + (2<p-Sin2<p)/4J; (7)

41+f) В 5

2A ¡cos(z>---- --cos5sin^+-Ssin3 <p-B(pcoscp+

= Jsin<pd<p\^ 2sfl+|j-2/íj

3 - I'"2

2 Bw cos ер . . 4 _ 2 _.

+ 3 +2 А--В--яВ\ ; (8)

где А и В - комплексные параметры, которые находят по формулам: Л= QKp/mR и В=патяRJm. QKp=3,988crmR2n.

Экспериментальная проверка расчётных данных показала, что при холодном пуансоне плотная адгезия отсутствует при t = 4... 7 с, при нагреве пуансона до Т=600 "С-! = 0,5 ..1,0 с.

При реализации технологического синтеза необходимо правильно сбалансировать термические и силовые параметры режимов нанесения металла с терморезанием или пуансонным вытеснением металла (рис. 7 и 8) Размещение ФЭ (резца, пуансона) должно осуществляться в домар-тенситной зоне превращений и зависит от многих факторов.

7 - плазмотрон, 8 - стружка; 9 - деталь

Эта зона определяется шириной межкристаллического интервала температур, который определяется по критическим точкам Ас3 - Ас1 и зависит от химического состава наплавленного металла:

Ах =197 -370 С +194П + 87Ш -г 48А1 - ЗЗМо - 27 Сг +8 Мп

Дальнейшим развитием процесса терморезания явилась разработка принципа безотходной обработки металла резанием. В этом случае резец выполняет три функции: снимает стружку массой тс = вс Ис />, сопровождает и направляет её в ванну для переплава (рис. 8 б)

Чв = ср Тву лгэ2 иэ К Ж1 и/и„; дд = р и, Ус ■ с ( Т, - Т „ + Тс), (9)

где Кж = 2,7. .3,6 мм/кВа - коэффициент длины ванны; Те, Тс, Тт- тем-пера1уры ванны, стружки и плавления; Ус - объём стружки.

Доля стружки в наплавленном металле зависит от режимов наплавки, температуры металла Т„ (х,у) и размещения резца 1Р (рис 8 б я табл 3),

Таблица 3

Ток наплавки, А Напряжение, В Скорость наплавки, м/ч Расстояние от инструмента до ванны, мм Доля стружки в наплавленном металле, %

220 24 10 15 27

540 31 21 16 43

800 39 34 28 56

Интерпретируя известные электрофизические функции H.H. Рыка-лина и А.Н. Резникова, можно рассчитать 1Р\

lp =q /он (2пХ [ТИ (х,у) + т; (х,у)]); (10)

где Т„ (х,у) - подогрев металла; Тд*(х,у) - температура работы деформирования (резания) Задаваясь о„, f и размерами инструмента (R& и rj, можно вычислить высоту неровностей h:

h = ru_Sin{180 -[а г с Sin(Rd +ril)Sin(uH /2 fRd)/ru]-(uH /2J)}- Rd). (11)

Полученные данные о теплоаккумулирующей способности при дуговых процессах наплавки позволили перейти к разработке средств технологического оснащения, необходимых для реализации внешних воздействий на металл в процессе его нанесения.

Четвёртая глава посвящена разработке средств технологического оснащения, приспособленных к условиям наплавки и способных эффективно реализовать синтез формообразующих операций на каждом этапе формообразования.

На этапе наведения жидкой ванны весьма важно сохранять стабильность дуговых разрядов. В этой связи были разработаны:

• конструкции механизмов подачи электродов, отличающиеся прерывистым характером и надёжностью поступления в зону дуги за счёт: а - пружинного зажима с приводом от ЛЭМД; б - наличия дозирующего устройства, работающего по принципу защемления порошка электродами; в - устройства регулирования числом электродов;

• формообразующие элементы (ФЭ) в виде: а - оболочковых наплавочных форм (НФ) из электропроводных, полимеризуемых и теплопо-глощающих смесей; б - промежуточные элементы из теплодемпфирую-щих смесей оригинальной рецептуры и отдельных штамповок;

•эрозионностойкие токосъёмники, армированные В4С.

Надёжный скользящий контакт, отрывистый характер движения и быстродействие исполнительных механизмов за счёт ЛЭМД позволили повысить стабильность горения дуги и точность дозировки ОПМ.

Удержание расплава от стекания можно осуществлять скоростным затвердеванием СВС-материалов.

Для снижения чувствительности НФ к термическим возмущениям в их состав следует вводить жаропрочные добавки (маршалит, асбест, серебристый графит и СВС - материалы). При этом скорость продвижения изотерм в 1500 °С снижается в 2. 4 раза и деструкция НФ происходит после кристаллизации металла со скоростью 10 мкм/с на глубине 1 мм, а конусность НРЭ - 0,2.. 1,0мм на 10мм длины наплавки (табл. 4).

Таблица 4

Основные слагаемые припуска при наплавке в формы (мм)

Материал наплавочной формы Конус Деструкция Пригар

Песчано-глинистая без покрытия 13...15 4...6 2...4

То же с опорным покрытием 7...10 2. .4 1,5...3

Песчано-смоляная; без присадки 8...9 1,5...2,5 2...3

То же,с присадкой (ПП АН 170) 3...4 0,5. .1,4 0...1

Графит 1...2 0,5...1,0 -

На этапе кристаллизации определены наиболее теплостойкие материалы НФ и условия для снижения потерь профиля НРЭ (табп 5, рис. 9)

Таблица 5

Воспроизведение тонкого рельефа наплавочной формы, %*

Материал наплавочной формы Высота рельефа формы Н®, мм

3 6 9

Металлическая, водоохлаждаемая 30/51 38/55 54/68

Песчано-глинистая (по сухому) 43/60 55/62 58/78

Песчано-глинистая (по сырому) 16/26 19/28 28/36

Керамгаированная (оболочковая) 51/72 62/81 81/96

С опорным слоем 71/88 90/92 92/97

Графитовая 65/82 74/91 84/95

Примечание*■ числитель - свободная кристаллизация; знаменатель - при ОМД или экзотермических вставках.

Полимеризация формовочной смеси притормаживает процесс деструкции НФ и промежуточных элементов из штамповок, наполненных теплопоглощающими и теплодемпфирующими смесями.

Этап фазоструктурной рекристаллизации. Определена новая сфера эффективного применения ЛЭМД в качестве привода исполнительных механизмов. Составлена их структурная схема и обоснована конструкция ЛЭМД с плоским притягивающимся якорем броневого типа и его тяговые и геометрические и характеристики ЛЭМД (рис 10).

О 20 40 0 20 40 0 20 40 0 20 40 сЬш а б в г

Рис 9 Допуск и классы точности: а - песчаные НФ; б - оболочковые; в - металлические; г -с опорным слоем;. 1-е вибрацией; 2 - без вибрации

ТЕМПЕРАТУРНО-СКОРОСТНЫЕ И СИЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИВОДА ОТ ЛЭМД

Электромагнитные - Силовые -> Тепловые

1 \¥2. 1 № (РМ>—К^ФЭ)—<РС) ш! туз! Сэл)—<эмп)

ДWPr ДЧУ™ Д\Уэмп Д\УПМ AWpм НФ НВ НР

Передача, преобразование электроэнергии в механическую эн& ргию движения якоря ЛЭМД Передача движения якоря в заданное движение инструмента

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОБЛАСТЬ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБЛАСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ часть ХГЖК

фи\а ХПЮ2

«

Рис 10 Структурная схема привода исполнительных механизмов от ЛЭМД: РС - распределительная сеть, ЭП-электрический преобразователь, ЭМП - электромагнитный преобразоватечь, ПМ - передаточный механизм, ФЭ - формообразующий элемент, ИП - источник питания; НФ, НВ, НР - наплавка в формы, с вытеснением или резанием металла, НО - наплавляемый объект; ФИ - формирователь импульсов, БУ- блок управления; ИП- источник питания

При этом учитывалась температура нагрева основных его элементов (якоря, обмотки) от наплавочной ванны:

тМ=

сул!<\т ;; 4Гк

& к 4й/,

Т = х\тс\т«<

Л, +

(121

где 0,1 - тепловая мощность наплавочной ванны; - время действия источника; т- масса обмотки; г - расстояние до ванны расплава; Тт температура ванны (1886 °С).

Регулирующие функции ЛЭМД, осуществляемые с помощью электронного блока управления, позволили провести согласованные действия двух процессов: наплавки и его обработки либо вытеснением, либо резанием металла. Способность ЛЭМД изменять мощность и частоту рабочих ходов инструмента позволила изучить электрические и механические характеристики (механизм стружкообразования), получить сведения о параметрах дальности, скорости, траектории и угле сектора разлёта стружки, конструкции резца, его углах и стойкости (рис 11 и 12) ки мм 1,00

7 / V

/ /а / /

р /

Рис. 11. График изнашивания резцов в зависимости от частоты / и "Тр • Резец -Т15К61-1,2 мм, и^-18 м/мин; 1- 560А, 31 В, у-5°, уф- -5й, а -12°

0 15 30 45 г, мин Рис 12 График изнашивания задней поверхности при тангенциальном терморезании при глубине резания. 1-2,5мм, 2-1,5мм, 3-1,0 мм (ПП-АН170, 520 А)

Результаты исследования функциональных свойств средств технологического оснащения явились базой для разработки гибкой модульной конфигурации наплавочных установок, отличающихся возможностью:

• изменять количество, расстановку, диаметры и марки электродов и присадочных проволок в процессе наплавки;

• осуществлять вибрационные, пульсирующие и ударные воздействия на электрод, присадку, подложку, ФЭ и наплавленный металл;

• проводить операции вытеснения металла и терморезания по схеме тангенциального строгания и возвратно-качательного движения резца.

В пятой главе проведена технологическая проработка методов и средств принудительного формообразования, раскрывающая широкие возможности управления химическим составом, твёрдостью, структурой и функциональными свойствами деталей с НРЭ за счёт согласованного действия электротехнологических режимов наплавки и внешних воздействий. Регулирующие функции наплавки наиболее ярко проявляются при использовании присадок, количественные соотношения которых определяются в зависимости от скорости подачи электрода и, и присадки и2:

Пт = (П, и,5, + П2О-А + ... + ПпипЗг) / (и.Б, + + .. + цДЛ-

рспя ^спл^спл р, и,Б, + ..+ А,иД ОЮ

где Я/,Яг,Я„ - доля легирующего элемента в 1, 2,.., п электродных или присадочных проволоках, соответственно; Я/, - площадь

поперечного сечения проволок; р\,рърп,рсм - плотность материала электродных проволок и наплавленного металла, соответственно.

В работе приведена классификация способов ввода легирующих и армирующих элементов через электроды, металл основы и присадку.

Развитие теории и практики использования экзотермических реакций (в режиме СВС- процессов и термитных реакций) стимулировали разработку схем гибкого локального легирования (рис. 13)

Флюсовая оболочка брикет

Рис 13 Схема наплавки с использованием экзотермических реакций: а - наплавка порошковой термитной проволокой с наложением вибраций (от кулачка); б - наплавка с использованием СВС - брикета, размещённого в периферийной зоне НФ

Технологическая проработка этих вопросов в условиях вибрационных пульсаций в расплаве при МЭН выявила особую возможность локального армирования медного антифрикционного слоя тугоплавкими карбидными присадками в узкой зоне тепловыделения, в периферийных частях НФ для получения деталей обратных пар трения, получения токосъёмников и гравюры штампов с рельефными НРЭ.

Периодически наносимые удары в 1 ..3 Гц создают пульсацию сил и избыточное давление: Ар=с0рАсо, где с0=[Е(1-р)/р(1+р)(1-2р.)]1/2, вследствие чего в нём возникает турбуляризация, кавитация, снижаю-

щие газовую и усадочную пористости, макрохимическую и структурную неоднородности и опасность появления горячих трещин. Об этом можно судить по результатам исследования микроструктуры наплавленного металла (Си + В4С), снижению коэффициента вариации по твёрдости металла. При наплавке с низкочастотной вибрацией он снизился в 2,8 • раза при частоте 1 Гц и в 3,1 - при 3...4 Гц. Особенно ярко эффект дроб-

ления кристаллов проявляется в присутствии нерастворимых присадок в расплаве при МЭН. Это является следствием вынужденного увеличения V скоростей движения гидропотоков, интенсивности перемешивания ме-

талла и нерастворимых присадок по всему объёму ванны. При этом кристаллизация переходит от дендритной к ячеистой и далее к объёмной.

Оценка трещиностойкости, наплавленных образцов из ст. 3, с помощью коэффициента интенсивности напряжения КИн, подтвердила эффективность термосиловых и вибрационных воздействий на металл в ходе его нанесения. Благодаря виброударным воздействиям на металл формируются относительно однородные мартенситные и мартенситно-карбидные структуры с остаточным аустенитом.

Наплавка с направленным охлаждением в наибольшей мере изменяет термический цикл наплавленного металла. СОЖ должна подаваться в зону наименьшей устойчивости аустенита на расстояние в количестве, обеспечивающем критическую скорость охлаждения:

1Ж - Шс-/п3С3оИ (ш)т Т] 2Ф0 (пэС:/[2 аЯ Т]1/2}ш , (14)

В (14) Ьж учитывается эффективное тепловложение в деталь дэ, число электродов пэ и расстояние Сэ между ними.

МЭН существенно расширяет регулирующие функции при управлении свойствами НРЭ. Это достигается раздвижением электродов на расстояния, при которых нанесение металла происходит в раздельные ванны с последующим заполнением ранее нанесённых валиков. При этом можно использовать разные между собой марки электродов.

Придание осциллирующего движения присадки вдоль образующей в виде порошковой проволоки придаёт направленный характер формирования химического состава и структуры НРЭ. г При дилатометрических исследованиях установлен механизм де-

формаций в процессе резания наносимого металла и показаны пути их снижения за счёт снятия припуска металла в домартенситной зоне.

Результаты исследования качества НРЭ позволили перейти к практической реализации новых способов наплавки для решения технических задач по получению деталей с заданными функциональными свойствами.

В шестой главе проводилась оценка методов и средств технологического воздействия на металл по критериям технико-экономической эффективности.

Результаты исследований качества формообразования и свойств НРЭ легли в основу разработок по конструктивно-технологическому совершенствованию изделий. При этом использовались следующие эффекты от электротехнологических воздействий:

•ускоренный теплоотвод от сварочной ванны с помощью полиме-ризуемых НФ и промежуточных элементов (а. с. 1773620);

•технологические приёмы воспроизведения тонкого рельефа, повышения надёжности сплавления, а также локального легирования и армирования за счёт использования термореагирующих присадок в периферийных зонах НФ;

• непрерывность процесса нанесения металла на детали периодического (зубчатого) профиля или отдельные детали, установленные с зазором за счёт применения электропроводных наплавочных форм (пластин) из формовочных смесей оригинального состава;

• гибкое легирование и армирование НРЭ защемлением порошковых компонентов между электродами (а. с. 1811456).;

• удержание расплава скоростным затвердеванием металла в узкой зоне тепловыделения (а. с. 1652036);

• повышение точности формообразования НРЭ за счёт вытеснения металла виброударным погружением пуансона (а. с. 1834760);

• безотходная обработка металла резанием за счёт повторного переплава стружки в наплавочной ванне, подаваемой резцом по специальной траектории её полёта (а. с. 1764882; патент РФ 2078655);

• снижение степени деформаций деталей с НРЭ за счёт снятия стружки металла в домартенситной зоне (патент 2165338).

Тонкорельефные и сложнопрофильные элементы изделий вполне доступно получить пуансонным вытеснением металла в жидко-твёрдой фазе, штамповкой с приводом исполнительных формообразующих механизмов от ЛЭМД. Используя медные электроды с алюминиевой присадкой и НФ из смесей оригинального состава, удалось получить тонкий рельеф с глубиной профиля 0,04...0,10 мм. Этот эффект можно применять для художественных целей и при изготовлении электрических скользящих контактов (токосъёмников).

Наплавка с пуансонным вытеснением металла позволяет получать гравюры штампового инструмента с глубиной рельефа 0,1...0,3 мм, а также детали зубчатого профиля с модулем до 5...6, с выступами и утолщениями.

Применение армирующих и легирующих СВС - присадок в периферийных зонах НФ при получении режущих элементов ножей для руб-

ки 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 (а с. 1355600), что позволило улучшить фиксацию каната при его укладке за счёт дополнительного числа контактов пк, равномерного распределения сил нормального давления <Ш и увеличения площади контакта 5' элементарного участка гибкого каната с наплавленным жёлобом:

пк = 2 л и„ (Яб + Н)/ и <т = 0.й(р 5 = Ъ Яе сЬр, (15)

где Н - высота НРЭ; Я6 - радиус барабана; ? - шаг навивки; п„ - число прядей в канате, - сила натяжения; /- коэффициент трения; <р - угол охвата, радиус барабана; Ъ • ширина контакта.

В результате увеличения щ удельное давление каната

р = dN/dS = (<2 ¿<р /^)/ЬЯб й(р) (16)

снизилось на 25%. Результаты испытаний на износостойкость, проведённых на образцах, имитирующих реальные условия пары трения канат- поверхность катушки, показали явное превосходство нового профиля перед традиционным вогнутым жёлобом. Стойкость каната возросла в 13 раз, а жёлоба - в 5 раз.

Идея В. В.Шульца о придании формы профиля детали, соответствующей форме естественного износа, была реализована на ж/д колесе с помощью МЭН электродами разных марок поверхности катания по слою карбоборидной шихты переменной высоты. В этом случае распределение твёрдости наплавленного слоя соответствует характеру распределения износа по поверхности катания:

НВ (х) = ку С % (х) + НВ0, (17)

где ку - переход содержания легирующей добавки в твёрдость с учётом действующих сил Минимум скорости изнашивания колеса объясняется равновесием сил в пятне контакта

<2 = 2п/р (з) Ом <р ds, (18)

где я - элемент контакта; р - фактическое контактное давление; <р - угол наклона касательной к кривой контакта.

Применение обратных пар трения может коренным образом изменить характер изнашивания сопряжённых пар трения, повысить их ресурс и упростить технологию и конструкцию подшипникового узла (исключить промежуточную деталь - вкладыш).

Экспериментальная проверка на износостойкость стальной шейки коленчатого вала горизонтально-высадочного автомата A-lil9, наплавленной бронзовой проволокой, показала, что коэффициент рационального использования трибосопряжения увеличился в 2,2 раза:

Kpu=(Ks KaKr+l)/(Ks Кг+ К KJ, (19)

ттКа^НВ2/НВ,; Ks - s2/si; Kr ^r2/r,.

Этот эффект можно объяснить снижением тепловой напряжённости в контактных выступах бронзового покрытия с графитовыми включениями вермикулярной формы и с легирующими добавками В4С (или ПП-АН 170 в количестве 15...20).

Износостойкость покрытия обратной пары возросла в 2,5 раза по сравнению с прямой парой. В этом случае графит выполняет роль твёрдой смазки, а присадка - функцию опорной (армирующей) части.

Эффект опорных слоев проявился при разработке новой конструкции шнековых витков маслопрессов с функциональными рёбрами, расположенных перпендикулярно поверхности шнека (патент № 2063878). Конструкция была реализована за счёт использования приставных по-лимеризуемых НФ, применения колеблющихся электродов и СВС - присадок. Сложнопрофильный рельеф шнека с наплавленными элементами позволил снизить выход масла в отходы с 17... 19 % до 4...5 %.

Эффект самозатачивания был реализован при двухэлектродной наплавке ножей отвалов снегоочистительной техники с использованием медного водоохлаждаемого кристаллизатора, применением легированной присадки (ПП-АН-¡70) и порошка В,С. При этом обработка металла проводилась возвратно-качательным резцом шевронного типа.

Эффект снижения деформаций установлен в результате исследования дилатометрических кривых и экспериментального определения величины прогиба пластин. При снятии стружки в горячем состоянии в домартенситной зоне снижается роль тепловых деформаций по сравнению со структурными. Эксперименты подтвердили этот тезис. Величина деформации при комплексной наплавке пластин толщиной 22 мм сократилась в 2...4 раза за счёт удаления части наплавленного металла. Наплавка проводилась порошковой проволокой ПП АН-170, 58...62 ед. HRC. Температура в рабочей зоне находилась в диапазоне 550 - 750 "С.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Итог работы заключается в решении актуальной научной проблемы расширения возможностей электрической дуги при наплавке путём структурно-параметрического синтеза нанесения металла и механо-металлургических воздействий, который можно обобщить в виде следующих результатов и выводов:

1. Из обзора литературы следует, что основные резервы повышения 1 эффективности наплавки следует искать в повышении её термического

КПД (снижении перегрева ванны, основного металла, подогрева ЗТВ глубины проплавления) и принудительном формообразовании. В этом случае возникают определённые предпосылки к снижению нежелательных последствий спонтанных процессов в МЭГ/ и кристаллизации, электродинамических сил, тормозящих эффектов во фронте растекания, неблагоприятных электротермических и деформационных циклов.

2. Разработана методология исследования синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл, базирующаяся на использовании тепла, генерируемого электрической дугой, и временном разупрочнении металла. Составлена элементарная система наплавки с принудительным формообразованием, предполагающая дифференцированный (поэтапный) подход к реализации идеи технологического синтеза формообразующих операций. В качестве критериев формообразования и основных средств их измерения приняты:

а - время выхода на стабильный режим, длительность разряда и коротких замыканий (осциллографирование тока модульным регистратором электрических сигналов), масса и форма дозированных ОПМ;

б - параметры границ наплавочной ванны, точность воспроизведения формы и рельефа, коэффициенты формообразования и заполняемости НФ, шероховатость поверхности (профилограф «Талисуре»);

в - параметры фазоструктурных изменений (дифрактометр ДРОН-2), физико-механических и функциональных свойств металла (машина трения СМЦ 2; измеритель напряжений ИМН 4).

3. С позиции электротехнологических и теплогидромеханических процессов составлены расчётные и физические модели, адекватно отражающие условия растекания и контактные взаимодействия ФЭ с металлом. Это позволило определить регулирующие функции режимов наплавки и разработать технологические схемы:

4 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 (в раздельные и общую ванны); е - безотходной обработки резанием (за счёт усвоения стружки теплом наплавочной ванны).

4. Разработана серия наплавочных установок, отличающихся оригинальным приводом исполнительных механизмов от ЛЭМД и гибкой модульной конфигурацией. При этом разработаны средства технологического оснащения,включающие:

- серию механизмов подачи электродов, обеспечивающих: а - варьирование количества (от 1 до 15). диаметра (0,5 ..5 мм), марок электродов; б - импульсное дозирование подачи электродов пружинным зажимом; в - подачу пучка электродов с защемлённым порошком;

-НФ и ФЭ из полимеризуемых, электропроводных, теплопогло-щающих, керамизированных компонентов;

-электромагнитный привод исполнительных механизмов, обеспечивающий согласованные действия процессов нанесения металла, его вытеснения в жидкой, твёрдой фазах и терморезания;

- возвратно-качательный инструмент, обеспечивающий принцип безотходной обработки металла резанием.

5. Получены закономерности и взаимосвязи между электрическими параметрами и факторами воздействия на металл с помощью НФ, вибрирующих, вытесняющих, режущих и экзотермических ФЭ, повышающие 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 (0,1 - 0,5 мм) и воспроизведения тонкого рельефа ФЭ (до 5 мкм);

- повышения трещиностойкости, износостойкости НРЭ;

- снижения деформаций в деталях с НРЭ за счёт снятия стружки в домартенситной зоне при наплавке и дилатометрического градиента.

6. Разработанные технологии комплексного воздействия на металл позволяют экономить остродефицитный металл, расширить номенклатуру упрочняемых деталей, повысить их функциональные свойства и вести обработку с эффектом «безотходности». Соизмерение текущих и единовременных затрат при внедрении результатов исследований показало их технико-экономические преимущества.

Основное содержание диссертации изложено в 43 работах

(из общего количества 120 публикаций по теме диссертации)

I Публикации в центральных изданиях

1. Казаков Ю. Н Разработка принципа безотходной обработки металла резанием в ходе наплавки / Ю. Н. Казаков // Журн. Вестник СГАУ. - Саратов, 2004. № 1 -С. 29-33.

2. Казаков Ю. Н. Управление формообразованием деталей при наплавке с термосиловым воздействием / Ю. Н. Казаков, С. К. Сперанский, В В. Хорев // Журн Автоматизация и современные технологии. - 2004 - № 4. - С. 17-21

3. Бекренёв В. Н. Обработка твёрдых материалов с неоднородной структурой /

B. Н.Бекренёв, Ю. Н. Казаков, С. К. Сперанский // Журн. Автоматизация и современные технологии. - 2004. - № 5. - С. 3-4.

4. Казаков Ю. Н. Электромеханические и электромагнитные преобразования энергии и управляемые электромеханические системы / Ю. Н. Казаков, А. В. Дмит-риенко, Г. Г. Угаров // Журн. Вестник Уральского гос. техн. ун-та. - Екатеринбург, 2003.-№5. - С. 136-140.

5. Казаков Ю. Н. Методы и средства формоизменения металла при плазменно-дуговой наплавке деталей машин и инструмента / Ю. Н Казаков, А. А. Казинский // Журн. Вестник Самарского гос. аэрокосмического ун-та: Сб. науч. статей. - Самара, 1999.-С. 59-65.

6. Казаков Ю. Н. Новые методы обработки наплавляемого металла / Ю. Н. Казаков, В. Н. Лясников // Журн. Перспективные материалы. - М.: АН РФ, 1997. № 1. -

C. 80-85.

7 Казаков Ю. Н. Деформации наплавленных деталей / ЮН. Казаков, А. А. Лючев // Журн. Автомобильный транспорт. 1979. - № 9. - С. 37 - 39.

8. Казаков Ю. Н. Многоэлектродная наплавка зубьев шестерён / Ю. Н. Казаков, А. А. Лючев, В. П. Чучлов // Техника в сельском хозяйстве. 1975. - № 1. - С. 17-18.

//. Монография и публикации в других изданиях

9. Казаков Ю. Н. Технологическое обеспечение трибологических свойств деталей при наплавке: Монография / Ю. Н. Казаков; Сарат. гос. техн. ун-т. - Саратов: СГГУ, 2000.- 154 с.

10. Казаков Ю. Н Терморезание металла в процессе его нанесения плазменными и дуговыми методами / Ю. Н. Казаков, В. В. Хорев, В. А. Наливкин и др. // Производство, эксплуатация и ремонт машин: Сб. науч. трудов. Ростов н/Д: Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2001. - С. 86-90.

11. Казаков Ю. Н. Безотходная обработка резанием в процессе дуговой наплавки/ Ю. Н. Казаков// Всероссийская науч.-техн. конф.: Сб. докладов. Т. 3 Свароч. материалы, технология, оборудование. - Пермь: Пермский гос. ун-т, 2004 -С. 104-108.

12. Казаков Ю. Н. Оценка эффективности применяемых средств принудительного формообразования при плазменно-дуговой наплавке / Ю. Н. Казаков, В.В Хорев, В. А. Наливкин и др. // Производство, эксплуатация и ремонт машин: Сб. науч. трудов. - Ростов н/Д: Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2001. - С 65-69.

13. Казаков Ю. Н. Обработка металла резанием в процессе его нанесения плазменными и дуговыми методами / Ю. Н Казаков, В. В Хорев, В А. Наливкин //Актуальные проблемы электронного машиностроения: Сб. науч. ст. VI международной науч.-техн. конф / СГГУ. - Саратов, 2002. - С. 151-155.

14. Казаков Ю. Н. Формообразование и свойства при наплавке плазменно-дуговыми разрядами с внешним воздействием / Ю. Н. Казаков // Новые технологии на ж/д транспорте: Сб. науч. статей. - Саратов: СГУ, 2002. - С. 37-39.

15. Казаков Ю. Н. Технологические основы управления формообразованием деталей при наплавке с термосиловым воздействием / Ю. Н. Казаков, В. Н. Лясни-ков, В. В. Хорев // Плёнки и покрытия: Сб. науч. тр. 6-й международной конф.; Под ред. акад. B.C. Клубникина. - С-Пб' СПбГТУ, 2001. - С. 486-492.

16. Казаков Ю. Н. Параметры линейного электромагнитного привода формообразующих элементов в наплавочных процессах/ Ю. Н Казаков, О. В. Вдовина, Г. Г. Угаров // Технология на ж/д транспорте: Сб. науч. тр. - Саратов: СГУ, 2001. -С.34-38.

17. Казаков Ю. Н. Средства технологического оснащения при наплавке с принудительным формообразованием / Ю. Н Казаков, В. В. Хорев, С. Г. Богомолов II Восстановление и упрочнение деталей машин: Межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 2001.-С. 149-157.

18. Казаков Ю. Н. Силовые электромагнитные системы для виброимпульсных технологий в ремонтном производстве / Ю Н. Казаков, В. В. Хорев// Восстановление, упрочнение деталей машин: Межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 2001.-С.108-115.

19. Казаков Ю. Н. Управление формообразованием и свойствами наплавленной поверхности колёсных пар / Ю. Н. Казаков, В. В. Хорев // Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту: Труды Всероссийской науч.-техн. конф. - Екатеринбург: Уральский гос. ун-т путей сообщения, 2000. - С 219-221.

20 Казаков Ю. Н Методы и средства активного управления формообразованием и свойствами при наплавке / ГО. Н. Казаков // Современные проблемы транспорта: Межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 2000. - С. 79-83.

21. Казаков Ю. Н. Технологическое обеспечение качества наплавки изношенных поверхностей надрессорной балки / Ю. Н. Казаков, А. А. Казинский // Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту: Тр. Всерос. науч.-техн. конф. 4.1 / Екатеринбург: Уральский гос. ун-т путей сообщения, 2000. - С. 217-219.

22. Казаков Ю. Н. Совершенствование конструкции привода инструмента для обработки костных тканей / Ю. Н. Казаков // Современные проблемы имплантологии: Докл. 4-й Междунар. конф. / СГТУ. - Саратов, 1998. - С. 100-104.

23. Казаков Ю. Н. Анализ совмещённых методов терморезания / Ю. Н. Казаков, А. А. Ивенин // Восс1ановление и упрочнение деталей машин: Межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 1998. - С. 46-50.

24. Казаков Ю. Н. Кинетика совмещённого процесса наплавки и обработки покрытий / Ю. Н. Казаков // Технологическое формирование качества деталей при восстановлении и упрочнении: Межвуз. науч.-техн. сб. / СГТУ. - Саратов, 1997. - С.45-52.

25. Казаков Ю. Н. Наплавка колёсных пар ж/д вагонов, совмещённая с механической обработкой / Ю. Н. Казаков, М. Ю. Лысенко, А. Ю. Волынкин // Эксплуатация транспорта: Межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 1996. - С. 74-75.

26. Казаков Ю. Н. Активные методы формообразования при наплавке / Ю. Н. Казаков // Эксплуатация транспорта: Межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 1996.-С. 67-74.

27. Патент 1834760 РФ / Б.И. 1993, № 30. Способ электродуговой наплавки легированного сплава / Ю. Н. Казаков, A.A. Казинский.

28. Казаков Ю. Н. Использование теплоты сварочной дуги для безотходной обработки резанием наплавляемого металла / Ю. Н. Казаков, В. Н. Лясников // Высокие технологии в машиностроении: Сб. науч. тр. - М.: ЦРДЗ, 1993. - С.143-145.

29. Казаков Ю. Н. Антифрикционные покрытия переменного состава чугунных деталей обратных пар трения / Ю. Н Казаков, В Н. Лясников, Т. М. Коншцева // Газодинамическое напыление в промышленности' Докл междунар. семинара.-С-Пб,

1993.-С. 85-87.

30. Казаков Ю. Н. Интенсивность изнашивания наплавленных поверхностей деталей обратных пар / Ю. Н. Казаков, А. П. Рамзаев // Восстановление и упрочнение деталей машин при ремонте: Межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 1993. -С.96-99.

31. Казаков Ю. Н. Антифрикционные покрытия переменного состава чугунных деталей обратных пар трения / Ю. Н. Казаков, Т. М Конищева, А. Н. Лясников // Газодинамическое напыление в промышленности: Доклады международного семинара. - С-Пб: ГНТП, 1993. - С. 85-87.

32. Казаков Ю. Н. Тангенциальное термоточение, совмещённое с наплавкой / Ю. Н. Казаков, Ю. Ю. Аношкина //Повышение эффективности восстановительной и упрочняющей технологии при ремонте машин: Межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов,

1994.-С. 37-45.

33. Казаков Ю. Н. Конструкторско-технологическая классификация наплавленных деталей / Ю. Н Казаков // Технологическое формирование качества деталей при капитальном ремонте: Межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 1989. - С. 4-9.

34. Казаков Ю. Н. Экономия материалов при изготовлении и восстановлении деталей кузнечно-прессового оборудования с использованием наплавки / Ю. Н. Казаков, Б. П. Калугов, А. А. Казинский // Экономия ресурсов в производстве и потреблении металлоизделий: Тематический сб. науч. тр. - М.: Металлургия, 1989. С. 33-39.

35. Казаков Ю. Н. Разработка технологии и оснастки для наплавки инструмента / Ю. Н. Казаков, А. А. Канаев, К. Г. Бутовский // Вопросы авиационной науки и техники: Науч.-техн. сб. Вып. З.-М.: НИТИ, 1990. - С. 10-17.

36. Казаков Ю. Н. Конструкторско-технологическая ориентация на выбор рационального способа наплавки рабочих элементов деталей машин и приборов / Ю. Н. Казаков, В. Н. Горячева, К. Г. Бутовский // Технология приборостроения и агрегатирования: Науч-техн сб -М.. ГОСНИТИ, 1990.-С. 10-13.

37. А. с. № 1563915 СССР, МКИ В 23К / Б.И. № 18, 1990. Способ наплавки с формообразованием рабочих элементов деталей машин и инструментов / Ю. Н Казаков, А. А. Казинский.

38. Патент 1811456 РФ. Способ электродуговой наплавки легированного сплава / Ю. Н. Казаков, А. А. Казинский, Г. П. Васин //Б.И. № 15. 1993.

39. Казаков Ю. Н. Наплавка изношенных узлов трения кузнечно-прессового оборудования медными сплавами / Ю. Н. Казаков, Г. П. Васин и др. // Журн. Автоматическая сварка. - 1989. № 1. - С. 71-72.

40. Казаков Ю. Н. Восстановление автотракторных деталей /Ю. Н. Казаков, Д. О. Атнилов // Журн. Степные просторы. 1979. -№ 9. - С. 23-25.

41. Казаков Ю. Н. Повышение производительности при изготовлении и восстановлении деталей многоэлектродной наплавкой / ЮН. Казаков, В. А. Наливкин // Повышение производительности и качества наплавочных работ при ремонте и изготовлении машин и механизмов: Сб. науч. тр. - М.: МДНТП, 1977. - С. 27-31.

42. Казаков Ю.Н. Направленное формирование слоя при восстановлении деталей многоэлектродной наплавкой /Ю. Н. Казаков, В. А Наливкин, А. А. Лючев // Ремонт и модернизация оборудования в условиях научно-технического прогресса: Сб. - М.: МДНТП;НТО МАШПРОМ, 1975 -С. 117-122.

»2 6 0 0 1

43. Казаков Ю. Н. Наплавка шлицевых валов / Ю. Н. Казаков, В. А Налив-кин// Наплавка и наплавочные материалы- Сб. докл. Республ. конф.-Киев: НТО МАШПРОМ: Харьковский дом техники, 1975. - С. 9-10.

III Учебные пособия, используемые в учебном процессе

1. Казаков Ю.Н. Концентрированные потоки энергии и физические основы их генерации: Учеб. пособие / Ю. Н. Казаков / СГТУ. - Саратов, 2001. - 100 с.

2. Казаков Ю. Н. Концентрированные потоки энергии для технологических целей: Учеб. пособие / Ю. Н. Казаков, В. В. Хорев, М. Ю. Лысенко / СГТУ. - Саратов, 2000.-250 с.

3. Казаков Ю. Н. Триботехника и эксплуатационные материалы: Учеб. пособие / Ю. Н. Казаков, В. В. Хорев / СГТУ. - Саратов, 2000. - 80 с.

4. Казаков Ю. Н. Физико-технологические основы механической обработки покрытий с использованием плазменно-дуговых разрядов: Учеб. пособие / Ю. Н. Казаков / СГТУ. - Саратов, 1999. - 80 с.

5. Казаков Ю. Н. Новые методы ресурсосберегающей технологии: Учеб. пособие: В 2 ч. / Ю. Н. Казаков / СГТУ. - Саратов, 1989. Ч. 1. - 78 с.

6. Казаков Ю. Н. Активные методы управления формообразованием при наплавке // Новые методы ресурсосберегающей технологии: Учеб. пособие: В 2 ч. / Ю. Н. Казаков / СГТУ. - Саратов, 1991. Ч. 2. - 80 с.

Автор сердечно благодарит Заслуженного деятеля науки РСФСР,

профессора Наливкта Владимира Алексеевича за многолетнюю помощь и его добрый совет представить на защиту данную работу

РНБ Русский фонд

2006-4 4103

Лицензия ИД № 06268 от 14.11.01

Подписано в печать 05.11.04 Формат 60x84 1/16

Бум. гип. Усл. печ. л. 1,86 (2,0) Уч.-изд. л. 2,0

Тираж 100 экз. Заказ 456 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77 Копипринтер СГТУ, 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77

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.

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.

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.

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.