автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Технология восстановление цилиндрических поверхностей валов плазменным напылением с одновременным оплавлением выносной модулируемой дугой (на примере коленчатого вала)

На правах рукописи

БУХТОЯРОВ Владимир Николаевич

ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВАЛОВ ПЛАЗМЕННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ

С ОДНОВРЕМЕННЫМ ОПЛАВЛЕНИЕМ ВЫНОСНОЙ МОДУЛИРУЕМОЙ ДУГОЙ (НА ПРИМЕРЕ КОЛЕНЧАТОГО

ВАЛА)

Специальность: 05.03.01 - Технологии и оборудование механической

и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2003

Работа выполнена в Воронежской государственной лесотехнической академии

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Станчев Дмитрий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Афанасьев Александр Александрович;

Ведущая организация Научно-исследовательский институт

автоматизированных средств производства и контроля (г. Воронеж)

Защита диссертации состоится 17 декабря 2003 г. в 1530 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212.037.04 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного технического университета

Автореферат разослан М-ЯЬрН 2003 г.

кандидат технических наук Акиньшин Сергей Иванович

Ученый секретарь диссертационного совета

Кузовкин А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Долговечность деталей типа "вал" (коленчатый вал, распределительный вал, полуоси и т.п.), работающих при знакопеременных и циклических нагрузках, определяется как износостойкостью рабочих поверхностей, так и сопротивлением усталости. В настоящее время наряду с широко применяемыми методами получили распространение такие способы восстановления, как наплавка. Однако, восстановление рабочих поверхностей наплавкой приводит к снижению сопротивления усталости, прочности, возникновению остаточных термических напряжений, приводящих к короблению детали. В последующем требуется правка и балансировка восстановленной детали. Правка отрицательно сказывается как на самой детали, так и на качестве покрытия. Поэтому в ремонтном производстве стремятся применять упрочняющие методы восстановления рабочих поверхностей, не перегревающие деталь и сокращающие технологический цикл.

Одной из прогрессивных технологий восстановления является плазменное напыление, которое позволяет наносить износостойкие покрытия не изменяя сопротивление усталости основного материала. Однако покрытия, формируемые данным способом, не всегда обеспечивают необходимую прочность как самого покрытия, так и соединения его с основой. Для устранения данного недостатка можно применять последующее силовое, термо-силовое, термическое воздействие на покрытие, в том числе одновременно с напылением.

Одним из таких способов является применение напыления с одновременным оплавлением покрытий выносной дугой. Использование данного метода позволяет снизить затраты труда и энергии, повысить эффективность процесса за счет совмещения напыления и оплавления покрытий. При этом способе дистанщи напыления находится в пределах то-копроводящей зоны плазменного потока, что позволяет использовать выносную дополнительную электрическую дугу. В результате происходит локальный подвод энергии в покрытие, что позволяет оплавить его на заданную глубину.

Наряду с достоинствами данный способ имеет такой недостаток, как неравномерность нагревания поверхности детали на начальных и конечных участках, а следовательно, снижение качества покрытий и сопротивления усталости по сравнению с традиционным плазменным напылением. Кроме того, ухудшение свойств покрытия может быть обусловлено нестабильностью работы выносной дуги.

Анализ информационных источников и опыт исследования кафедры "Производство, ремонт и эксплуатация машин" Воронежской государственной лесотехнической академии показал, что устранение данных недостатков возможно за счет использования импульсной модуляции элек-

трических параметров выносной (прямой) дуги. Модуляция электрических параметров заключается в наложении импульсов тока, создаваемых от заряда, накопленного в емкости конденсатора, на постоянный ток дуги. Заряд и разряд осуществляются открытием и закрытием тиристорного моста, в который заключена емкость конденсатора.

Модуляция электрических параметров обеспечивает повышение физико-механических характеристик покрытия и основы. Повышением мощности импульсов на начальных и понижением на конечных участках напыления детали обеспечивается равномерное распределение температурного поля.

Методом плазменного напыления с одновременным оплавлением выносной модулируемой дугой можно восстанавливать широкую номенклатуру деталей машин, имеющих плоские, цилиндрические, конические и поверхности сложной формы. При этом основной проблемой является получение необходимой износостойкости и прочности соединения покрытия с основой без значительного перегрева материала детали. Исключение перегрева детали позволяет убрать из технологического процесса операцию правки.

Работа является частью комплексных исследований по госбюджетной теме Воронежской государственной лесотехнической академии № ГР 01.2.00.105.358 "Создание технологий, машин и оборудования, обеспечивающих повышенные эксплуатационные качества".

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка технологии восстановления рабочих поверхностей коленчатых валов плазменным напылением с одновременным оплавлением покрытий выносной модулированной дугой (ПНОВМ), обеспечивающей высокую износостойкость и прочность соединения покрытия с основой.

Исходя из цели работы определены основные задачи:

1. Разработать математическую модель температурного поля, формируемого в процессе нанесения покрытия, позволяющую определить оптимальную область технологических параметров ПНОВМ.

2. Разработать устройства технологического обеспечения, а также методику исследования особенностей процесса ПНОВМ и покрытий.

3. Провести экспериментальные исследования электрических параметров и температурного шля при ПНОВМ.

4. Исследовать основные физико-механические свойства покрытий и образцов, подтверждающие эффективность процесса ПНОВМ. Установить взаимосвязи технологических параметров процесса ПНОВМ с износостойкостью покрытий.

5. Создать и обосновать способ нанесения покрытия на рабочие поверхности деталей, испытывающих высокие удельные нагрузки, обеспе-

чивающий формирование покрытий с высокой износостойкостью и прочностью соединения с основой за счет управляемого температурного поля с помощью импульсной модуляции выносной дуги.

6. Разработать технологический процесс восстановления рабочих поверхностей типовых деталей методом ПНОВМ. Провести стендовые и эксплуатационные испытания натурных деталей, восстановленных ПНОВМ, и разработать рекомендации для промышленности.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели использовались теоретические и экспериментальные методы. Теоретические вопросы решались методами математического анализа уравнений теплофизики и теории подобия. При проведении экспериментов использовались методы математической статистики и теории вероятностей, а также методы определения физико-механических и триботехнических свойств покрытий.

Научная новизна работы. В работе получены следующие основные научные результаты:

1. Разработана математическая модель процесса, позволяющая определять технологические режимы на основе температурного поля в деталях типа "вал" при ПНОВМ, отличающаяся учетом влияния параметров импульсной модуляции на температуру поверхности детали.

2. Разработан и запатентован (патент № 2211256) способ нанесения покрытия, обеспечивающий повышение основных физико-механических свойств покрытия, посредством дополнительного термического воздействия на него выносной модулируемой дугой, сокращающий технологический цикл восстановления детали.

3. Выявлена связь габаритных размеров деталей и режимов модуляции (амплитуда мощности, длительность и частота следования импульсов) электрических параметров плазмотрона при напылении с одновременным оплавлением выносной дугой.

Практическая значимость и реализация работы.

1. Создана установка для обеспечения процесса ПНОВМ.

2. Опредёлены оптимальные технологические параметры ПНОВМ по физико-механическим критериям.

3. Разработана методика расчета температурных полей на примере цилиндрических деталей с учетом модуляции электрических параметров плазмотрона.

4. Разработаны рекомендации по восстановлению деталей способом ПНОВМ, в частности, по восстановлению коленчатых валов двигателей КамАЗ-740.

5. Предлагаемый технологический процесс передан для внедрения на предприятие ОАО "Автокомбинат" (г. Воронеж).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение технического уровня машин лесного комплекса» (Воронеж, ВГЛТА, 2002); Всероссийской научной конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации» (Воронеж, ВВАИИ, 2001) и на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГЛТА (Воронеж, 2000, 2001,2002).

Публикации. Основные выводы диссертационных исследований нашли отражение в 10 публикациях. По теме диссертационных исследований получен патент на изобретение.

Лично автором в работе, опубликованной в соавторстве и приведенной в конце автореферата: /3/ - проведена классификация методов моделирования тепловых процессов при напылении и наплавке; /4/ - разработана методика исследования электрических параметров при напылении с одновременным оплавлением выносной модулируемой дугой; /5/ - проведена оптимизация режимов оплавления покрытий с модуляцией электрических параметров плазмотрона; /6/ - разработана конструктивная схема приспособления для определения прочности соединения покрытий с основой; /7/ - разработана система управления электрических параметров выносной дуги; /8/ - разработана электрическая схема для получения импульсов мощности на выносной дуге.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов, изложенных на 127 страницах, содержит 43 рисунка, 13 таблиц, список литературы из 111 наименований и приложение на 38 листах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель, поставлены задачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе на примере коленчатого вала рассмотрены условия работы деталей типа "вал" при знакопеременных и циклических нагрузках. Из условий работы коленчатого вала выяснено, что к наиболее важным характеристикам детали относится сопротивление усталости, а для покрытия - прочность соединения с основой и износостойкость. Рассмотрены основные существующие способы восстановления коленчатых валов. К числу данных способов относят различные методы наплавки и газотермического напыления.

Показана целесообразность совмещения напыления с упрочнением и рассмотрены возможные их способы. Установлено, что перспективным способом для повышения основных физико-механических свойств по-

крытий является плазменное напыление с одновременным оплавлением выносной модулируемой дугой.

Установлено, что в литературных источниках отсутствует информация о способе ПНОВМ и физико-механических свойствах, получаемых с его помощью покрытий.

На основании информационно-аналитического поиска были поставлены цель и задачи исследования.

Во второй главе приведена теоретическая проработка оптимальных условий процесса ПНОВМ, обеспечивающих повышение физико-механических свойств покрытий на основе математической модели температурного поля в цилиндрических деталях. В основу модели была положена теория тепловых процессов Рыкалина H.H. и модели Махненко A.B. При этом были приняты следующие допущения:

1. Источник тепла сосредоточен в элементарном точечном объеме на поверхности цилиндра и равномерно перемещается по винтовой линии изделия с постоянной скоростью (F= const).

2. Распространение тепла в теле происходит по закону теплопроводности Фурье.

3. Привязка выносной дуги находится в центре пятна напыления.

4. Коэффициенты теплофизических свойств основного металла (коэффициент теплопроводности и объемная теплоемкость) не зависят от температуры.

Для описания процесса использована схема мощного быстродви-жущегося источника тепла. В соответствии с этим принято, что в зоне за источником уже на некотором расстоянии от начала нанесения покрытия тепло распространяется в основном в плоскости, перпендикулярной к линии напыления.

Эффективная тепловая мощность плазмотрона q в случае наложения импульсов мощности (рис. 1) равна

<7 = <7о +<7ш,„>

где q0 - стационарная мощность; - средневзвешенное значение эффективной тепловой мощности.

Средневзвешенное значение эффективной тепловой мощности определяется по формуле

Яинп ^ и чп ^ мод'

где Aqmm - амплитуда импульсов мощности; г1ШП - длительность импульсов; vMOc, - частота следования импульсов.

ч

Чимп

с Е

Чо -

т,

сг

имп

Т

Г

I 1

Рис. 1. Распределение мощности плазмотрона д во времени V. ттт -длительность импульса; Т - период импульса; да, д ш,п - соответственно стационарная и импульсная мощности; А quм„ — амплитуда мощности импульсов

Температурное поле Т детали представлено в виде суммы общего поля вдали от источника 7& местного поля вблизи него Тт и начальной температуры Т0

где г, г, в - цилиндрические координаты, связанные с источником, соответственно: радиус, продольная и угловая координаты; г- время.

Общее поле вдали от источника Т£ определяется выражением:

где т„ - безразмерный комплекс, характеризующий время; £ - безразмерный комплекс, характеризующий шаг напыления; - погонная энергия; Я - радиус цилиндра; а - коэффициент температуропроводности; тепловая эффективная мощность плазмотрона; Ф,(/э, т^) - функция, характеризующая процесс распространения тепла по радиусу цилиндра; и - количество оборотов; N = 1,2, 3 и т.д.; Уг, Vв - соответственно осевая и окружная скорости источника тепла; Су - коэффициент теплопроводности; Н- шаг витков.

Температура последнего витка рассчитывается по формуле

Т(г, г, в, I) = Тф, г, в, I) + Тт + Т0,

2п-а „ Н а

__м • У —_■ п — л

2п-а-Су

п - частота вращения вала; т - поправка на ограниченность сечения цилиндра.

Максимальная температура Тт определялась по зависимости

т =—2±з

г '

где гх - локальный радиус-вектор, направленный от пятна напыления в тело детали с покрытием, ¿, - коэффициент учета распределения источника тепла.

Для расчета зависимостей безразмерной температуры от безразмерных факторов использовали выражение:

1

л/^Гс

-■2'п -С~П

N р 4С 'J+N, р АС

ф{р,С,п)--г-+ IФ{р,С,п)-ТТ

»=1 V» и'=и+1

где Ф{р = 1,С, п) = е'^'с" + ...,

М,= 0,^=3,83,^=7,02 ...,

а ?! • Я2 -Сг -п-Н

С - . „2 ' ' п ■ Л д

где ¿V' - число витков предварительного подогрева, р = Я/г - безразмерный комплекс, характеризующий радиус вала; г - координата в цилиндрической системе.

Полученные результаты позволили выявить характер влияния технологических параметров на температурное поле вдали от источника тепла Те. Температурное поле вдали от источника тепла Т£ прямо пропорционально тепловой эффективной мощности д и количеству витков п. Влияние частоты вращения п, радиуса вала Я, шага витков Н более сложно. Это позволило рационально представить расчеты зависимостей температуры основы от технологических параметров в размерном виде.

По представленной модели были проведены расчеты, результаты которых представлены на рис. 2 и 3.

Из графика зависимости температуры основы Ту от частоты вращения п и распределения средневзвешенной амплитуды мощности диип

видно (рис. 2), что разброс температур при регулировании мощности импульсов составляет 2...5%. При использовании предварительного подогрева с помощью плазмотрона без предварительной подачи, что наиболее часто используется, разброс температур составляет 10...20 %. Уменьшение разброса температур позволяет уменьшить различие температурных деформаций поверхности детали, тем самым уменьшить остаточные напряжения.

Рис. 2. Зависимость температуры Ту основы от частоты вращения п и распределения средневзвешенной эффективной тепловой мощности диип при модуляции: R = 0,04 м; Н- 0,002 м; Г^„„ - измеренная температура

Результаты расчета на примере коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 (рис. 3), показали следующее:

- для шатунных шеек скорость напыления V = 0, 15 м/с; тепловая эффективная мощность плазмотрона q = 1000 Вт; шаг витков H = 0,004 м; температура предварительного подогрева, обеспечиваемая за счет импульсной модуляции Т^,,,,,.,) „«„> = 486 С; максимальная температура Т„, = 559 ... 575 С; средневзвешенное значение тепловой эффективной мощности дшш будет изменяться на первых трех витках в пределах от 165 до 10 Вт;

- для коренных шеек скорость напыления V = 0, 597 м/с; тепловая эффективная мощность плазмотрона q = 1000 Вт; шаг витков Н= 0,0031 м; температура предварительного подогрева, обеспечиваемая за счет им-

пульсной модуляции Т^рсЛмт) = 500 С; максимальная температура основы Т„, = 481 ... 662 °С; средневзвешенное значение тепловой эффективной мощности <7И1Ш будет изменяться на первых трех витках в пределах от 370 до 160 Вт.

т5,с

460 420 380 340

т

\

'2Эип .

/

/

С| иып

Я нип , Вт 160

120

80

40

0

Ть'С 470

420

370

320

270

-—

к эип

/Г \ Т,

\

V /

3 5

б

340 240 140

1 3 5 7 п а

Рис. 3 Результаты расчета и измерения температуры шеек коленчатого вала: а - шатунная шейка; б - коренная шейка; - измеренная температура

Результаты расчетов позволили оценить оптимальную область режимов ПНОВМ и послужили исходными данными для разработки экспериментального оборудования.

В третьей главе проведено обоснование выбора оборудования и материалов для экспериментального исследования процесса ПНОВМ. Приводится описание модернизированной электрической части установки, позволяющей одновременно напылять покрытия и оплавлять их модулируемой выносной дугой (патент № 2211256). Отличием данной установки (рис. 4) является наличие дополнительного контура выносной дуги и включенного в него модулятора 6, накладывающего импульсы силы тока, и блока управления 5 модулятора, регулирующего параметры импульсной модуляции в процессе нанесения покрытия.

В качестве материала для нанесения покрытий был выбран никель-хромовый порошок марки ПГ-СР4, позволяющий получать износостойкие покрытия, имеющие твердость до 60 НЯСэ и прочность соединения с основой - до 400 МПа.

Рис. 4. Принципиальная схема установки плазменного напыления с одновременным оплавлением выносной модулируемой дугой: 1 - плазмотрон; 2 - подложка; 3 - источник питания; 4 - катушка индуктивности; 5 - блок управления модулятора; 6 - модулятор; 7, 8, 9 -балластные сопротивления Л/, Яз соответственно; А], А2, Аз - амперметры; Кь К2 - контакторы

Для определения температуры основы применяли устройство, подобное пирометру с приемником излучения. В качестве приемника взят фоторезистор инфракрасного излучения. С помощью термопары ИС-470 А, установленной в экспериментальные образцы и подключенной к цифровому вольтметру В7-38, проводили тарировку устройства на исследуемых материалах.

При тарировке измеряли температуру с помощью термопары и одновременно фиксировали значения фототока. В дальнейшем по построенным кривым зависимости фототока от температуры, измеренной термопарой, судили о температуре поверхности основы на исследуемых материалах. Погрешность определения температуры с помощью предлагаемого устройства составила - 4%. Погрешность определения температуры основы с помощью термопар составила ~ 1%.

Для оценки прочности сцепления плазменных покрытий с основой использовали метод сдвига с погрешностью ~ 6%.

Пористость определяли с помощью метода гидростатического взвешивания на отделенных от основы покрытиях. При взвешивании использовали весы с точностью ± 1-10"6 кг.

Твердость покрытий определяли по методу Роквелла по шкале С. Для этого использовался прибор ТК-2М. С помощью прибора ПМТ-3 измеряли микротвердость покрытий. Металлографические исследования

проводили на микроскопе МИМ-7, а рентгеноструктурный анализ - на дифрактомере Дрон-3,0.

Усталостные испытания проводились на машине МУИ-6000.

Износостойкость образцов пары трения "втулка - ролик" исследовали на машине трения МИ-1М. Износ определяли весовым способом на аналитических весах \VA-31 с точностью ±1- 10"6 кг.

В четвертой главе представлено экспериментальное подтверждение математической модели, а также результаты экспериментальных исследований процесса и физико-механических свойств покрытий, полученных ПНОВМ.

Первоначально было проведено исследование электрических параметров с целью определения возможностей установки по диапазонам мощностей прямой и косвенных дуг и их регулирования с помощью параметров модулятора. Для этого были получены зависимости амплитуды силы тока, напряжения и длительности импульса от емкости конденсатора и балластного сопротивления модулятора.

Эмпирические исследования температуры основы при ПНОВМ, представленные в виде поля разброса экспериментальных данных (рис. 2 и 3), показывают, что их отклонения от теоретических значений составляют 8... 10 %. Это позволяет использовать разработанную модель для оценки технологических параметров ПНОВМ.

На основе методов планирования эксперимента, получено уравнение регрессии зависимости износостойкости покрытия из материала ПГ-СР4 от технологических режимов ПНОВМ, на основе которого определены их оптимальные значения.

Изучение физико-механических свойств покрытий, полученных ПНОВМ, показало, что прочность их соединения с основой, находится в пределах 100...120 МПа, что в 1,15... 1,25 раза выше, чем без использования модуляции. Данное повышение может быть объяснено увеличением зон локального оплавления покрытия от импульсного действия выносной дуги при модуляции. Увеличение прочности соединения покрытия с основой позволяет повысить надежность системы "покрытие - основа" в условиях знакопеременных нагрузок, которым подвержен коленчатый вал.

Исследование твердости и пористости покрытий показало следующие результаты. Значение пористости для ПНОВ находится в пределах 0,40...0,72 %, а для процесса ПНОВМ - 0,31...0,51 %. Это может быть объяснено увеличением объема оплавленных зон, обеспечивающих всплытие пор с флюсом. Уменьшение пористости способствует увеличению твердости, что было экспериментально подтверждено. Твердость со значения 50...55 НЯСэ при ПНОВМ возросла на 5 НЯСэ.

Результаты измерений микротвердости показали, что при ПНОВ она находится в пределах 5,55...8,91 ГПа, а при ПНОВМ - в пределах 6,12... 10,62 ГПа. Повышение микротвердости обусловлено увеличением дисперсности упрочняющих фаз и пересыщением твердого раствора на основе никеля. Это подтверждается результатами металлографического анализа. Дисперсность структуры в свою очередь, обусловлена кратковременностью импульса и быстрым охлаждением каждой из зон импульсного оплавления.

Рентгеноструктурным анализом установлено присутствие в покрытии следующих фаз: твердого раствора на основе никеля в количестве 38 %, эвтектики в количестве 50% и 12 % карбоборидной фазы (карбиды хрома (СГ7С3 и Сг23С6), бориды никеля и хрома (CrB, Ni3B, Ni2B), силициды никеля (Ni5Si2, Ni2Si) и небольшое количество оксидов хрома, бора, кремния и алюминия). Равномерность температурного поля в начале и конце нанесения покрытия при ПНОВМ обеспечивает равномерность распределения вышеуказанных фаз в аналогичных количествах.

Показано, что предел выносливости деталей с покрытиями, полученными ПНОВМ, равен 210 МПа, а при ПНОВ - 180. Увеличение предела выносливости у образцов с покрытиями, полученными с использованием модуляции, можно объяснить более равномерным распределением зон импульсного воздействия дуги, что обеспечивает уменьшение концентрации напряжений на поверхности детали.

Исследования показали, что износостойкость образцов с покрытиями ПГ-СР4, нанесенными ПНОВМ, в 1,25... 1,35 раза выше, чем без использования модуляции (рис. 5), что может быть объяснено, в первую очередь, повышением микротвердости и твердости.

Результаты исследований подтвердили возможность нанесения покрытий по технологии ПНОВМ на рабочие поверхности натурных деталей, в частности на поверхности шеек коленчатых валов.

В пятой главе представлены рекомендуемые технологические режимы восстановления в зависимости от диаметра вала (табл. 1).

Представлен технологический процесс восстановления ПНОВМ на примере коленчатого вала двигателя КамАЗ-740. Отличительной особенностью технологии восстановления вала является отсутствие операции правки после напыления за счет уменьшения ее коробления, повышение производительности за счет совмещения напыления с оплавлением покрытия.

И, г 0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

И, г 0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

И, г 1,0

0,8

0,5

0,4

0,2

О

1

1 л

у 7

г

1,25 2,5 3,75 Р, МПа 1,25 2,5 3,75 Р, МПа 1,25 2,5 3,75 Р,МПа а б В

Рис. 5. Зависимость износа И от удельного давления Р при различных скоростях скольжения: а - V = 0,78 м/с; б - V = 1,3 м/с; в - V — 2,6 м/с; 1 - ПНОВ; 2 - ПНОВМ; путь трения 3000 м

Для обеспечения одинаковых тепловых условий без перегрева шеек целесообразно наносить покрытие сначала на все шатунные шейки одним слоем толщиной приблизительно 0,3 мм, затем на все коренные шейки одним слоем толщиной ~ 0,25...0,3 мм. В тех случаях, когда необходимо нанести более толстое покрытие весь процесс повторяется несколько раз.

Таблица 1

Технологические режимы ПНОВМ при расходе плазмообразующего газа (воздуха) - (0,6...0,8)10*3 м3/с; расходе транспортирующего газа (пропана) - (0,1...0,2)-10° м3/с; расходе порошка ПГ-СР4 - 0,009...0,018 кг/с; дистанции напыления - 0,015...0,020 м; скорости продольного перемещения плазмотрона - 0,005...0,010 м/с; мощности прямой дуги - 1,5...2,5 кВт; мощности косвенной дуги - 3,5...4,5 кВт

2

Диаметр вала, м Частота вращения детали, с1 Амплитуда мощности импульса, кВт Длительность импульса, мкс Частота модуляции, Гц

начальная конечная

0,02...0,06 0,5...2,0 4,5 100 65 ...100 25 ...35

0,06 ...0,10 0,3...1,0 12 175 70 ...180 30 ...50

0,10 ...0,14 0,2... 0,6 22 250 180 ...320 35 ...80

По результатам разработки технологических режимов ПНОВМ для деталей, работающих при знакопеременных и циклических нагрузках,

были проведены стендовые испытания коленчатых валов двигателя КамАЗ-740 на предприятии ООО "Автоцентр". Испытания показали, что износостойкость покрытий ПНОВМ на шейках коленчатых валов в 1,2... 1,3 раза выше в сравнении с износостойкостью шеек, восстановленных ПНОВ. Эксплуатационные испытания были проведены в ОАО "Автоколонна-1150" и транспортном цехе "ВЭКС" на коленчатых валах автомобильных и тракторных двигателей. Эксплуатационные испытания подтвердили работоспособность восстановленных деталей в реальных условиях.

При восстановлении коленчатых валов двигателя КамАЗ-740 получен положительный экономический эффект, который составил 113000 рублей в ценах 2003 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе разработана технология восстановления рабочих поверхностей коленчатых валов плазменным напылением с одновременным оплавлением выносной модулируемой дугой, обеспечивающая повышенные физико-механические характеристики покрытий на рабочих поверхностях деталей и сокращающая технологический цикл восстановления.

1. Разработана математическая модель температурного поля, формируемого в процессе нанесения покрытия, позволяющая определять технологические параметры ПНОВМ. Выявлена зависимость средневзвешенной эффективной тепловой мощности от факторов процесса. Данная зависимость позволяет выявить значение средневзвешенной эффективной тепловой мощности, которая обеспечивает оплавление и равномерную структуру по всей поверхности нанесения покрытия.

2. Разработана установка для воздушно-плазменного напыления, снижающая трудоемкость и повышающая эффективность нанесения и качество получаемых покрытий.

3. Разработан способ нанесения покрытия, заключающийся в дополнительном локальном подводе тепла в покрытие при плазменном напылении с одновременным оплавлением с выносной дугой за счет накладываемых импульсов и регулирующий температуру поверхности повышением мощности импульсов на начальных и понижением на конечных участках напыления детали, тем самым повышающий физико-механические свойства покрытий и сопротивление усталости деталей, сокращающий технологический цикл восстановления.

4. Разработаны основные положения методики исследования электрических характеристик дуг плазмотрона, состоящей в определении параметров модуляции выносной дуги, а также методика исследования тем-

пературы основы образца и детали и методики исследования физико-механических свойств покрытий.

5. Разработана математическая модель износостойкости покрытия процесса от технологических факторов ПНОВМ. Выявлены оптимальные технологические режимы процесса ПНОВМ при восстановлении шеек коленчатых валов двигателя КамАЗ-740, обеспечивающие максимальную износостойкость для наносимого порошка ПГ-СР4.

6. Физико-механические свойства покрытий, полученные ПНОВМ, по сравнению с покрытиями, полученными без использования модуляции. улучшаются. Повышается прочность соединения покрытия с основой в 1,15... 1,25 раза, микротвердость - в 1,1... 1,2 раза, износостойкость - в 1,25...1,35 раза, пористость покрытий понизилась в 1,2...1,3 раза. Сопротивление усталости образцов с использованием модуляции повысилось в 1,2 раза. Повышение основных физико-механических свойств покрытий позволяет использовать разрабатываемую технологию для деталей, работающих при знакопеременных и циклических нагрузках.

7. Стендовые испытания, проведенные на натурных деталях, подтвердили эффективность способа восстановления и показали, что износы шеек коленчатых валов, восстановленных ПНОВМ, в 1,2... 1,3 раза меньше износов шеек, восстановленных ПНОВ. Эксплуатационные испытания коленчатых валов, восстановленных ПНОВМ, подтверждают работоспособность восстановленных деталей в реальных условиях.

• 8. Разработаны рекомендации по технологическим режимам процесса ПНОВМ, позволяющие по заданному габаритному размеру восстанавливаемой детали найти необходимые параметры процесса.

9. При восстановлении коленчатых валов двигателя КамАЗ-740 получен положительный экономический эффект, который составил 113000 рублей в ценах 2003 года.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Авторские свидетельства и патенты

1. Патент № 2211256 RU, МПК 7 С 23 С 4/12. Способ нанесения покрытия / Станчев Д.И., Кадырметов А.М., Бухтояров В.Н., Винокуров А.В (РФ); Ворон, гос. лесотехн. акад (РФ). 2001115118/02; Заявлено 04.06.2001; Опубл. 27.08.03,- 9 с. Бюл. 2003. № 24.

Статьи

2. Бухтояров В.Н. Обзор способов одновременного напыления и упрочнения покрытий / Воронеж, гос. лесотехн. акад. Воронеж, 2001.4 с. Деп. в ВИНИТИ № 1016-В 2001.

3. Станчев Д.И., Кадырметов A.M., Винокуров A.B., Бухтояров В.Н. Методы моделирования тепловых процессов при напылении и оплавлении деталей сложной формы // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГЛТА, 2001. С. 161-164.

4. Кадырметов A.M., Винокуров A.B., Бухтояров В.Н. Моделирование электрических процессов при напылении или оплавлении покрытий с модуляцией дуги плазмотрона // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГЛТА, 2001. С. 157- 160.

5. Станчев Д.И., Винокуров A.B., Бухтояров В.Н. Оплавление газотермических покрытий плазматроном с модуляцией его электрических параметров / Воронеж, гос. лесотехн. акад. Воронеж, 2001. 5 с. Деп. в ВИНИТИ, № 2288-В 2001.

6. Станчев Д.И., Винокуров A.B., Бухтояров В.Н. К методике определения прочности соединения оплавленных газотермических покрытий с основой / Воронеж, гос. лесотехн. акад. Воронеж, 2001. 4 с. Деп. в ВИНИТИ, № 2289-В 2001.

7. Станчев Д.И., Кадырметов A.M., Винокуров A.B., Бухтояров В.Н. Система управления электрическими параметрами плазмотрона // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГЛТА, 2002. С. 131 - 136.

8. Кадырметов A.M., Винокуров A.B., Бухтояров В.Н. Электрическая схема устройства для получения импульсов мощности дуги плазма-трона при напылении // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГЛТА, 2002. С. 136 -140.

9. Бухтояров В.Н. Воздушно-плазменное напыление с одновременным оплавлением выносной модулируемой дугой / Воронеж, гос. лесотехн. акад. Воронеж, 2003. 11 с. Деп. в ВИНИТИ № 831-В 2003.

10. Бухтояров В.Н. Исследование влияния режимов восстановления на эксплуатационные свойства изделий / Бухтояров В.Н. // Теория и практика машиностроительного оборудования: Межвуз. Сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2003. С. 53 - 56.

ЛР № 066815 от 25.08.99. Подписано в печать 14.11.2003. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 85 экз. Заказ № .

Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп., 14