автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Технология восстановления и упрочнения деталей из алюминия и его сплавов микродуговым оксидированием

_ ~ ч

п и

2 7 МАЙ ГО97

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ ЗАОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 631. 3-233. 004. 67: 621. 357. 7

КУЗНЕЦОВ ЮРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕН ИЗ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ МИКРОДУГОВЫМ ОКСИДИРОВАНИЕМ

Специальность 05. 20.03. - "Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена на кафедре надежности и ремонта машин Российского государственного аграрного заочного университета (ИАЗУ)

Научный руководитель - доктор технических наук

профессор Батищев А.Н.

Научный консультант - кандидат технических наук

доцент Новиков А.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Курчаткин В.В., кандидат технических наук доцент Эпельфельд A.B.

Ведущая организация АООТ "Агроремсервис"

Защита состоится " Ц " ИЮИА 1997 г. в часов на заседании диссертационного совета к 120.30.01 при Российском государственном аграрном заочном университете.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу 143900, г. Балашиха-8 Московской обл. РГАЗУ, ученому секретарю.

Автореферат раз ослан " " АИ^ВАЯ____1997 г.

Ученый секретарь '

диссертационного совета __

кандидат технических: наук, q/l^^j Мохова О.П. доцент

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение эффективности ремонтного производства в агропромышленной комплексе связано с созданием и внедрением таких способов ремонта и восстановления деталей , которые позволяют улучшить физико-механические и эксплуатационные свойства изнашиваемых соединений.

Одним из новых способов восстановления и упрочнения алюминиевых деталей, обеспечивающих значительное повышение ресурса машин, является микродуговое оксидирование (ЩО).

Однако широкое внедрение МДО для восстановления изношенных деталей сельскохозяйственной техники из алюминия и его сплавов сдерживается из-за малоизученности процесса и отсутствия производственных рекомендаций. Поэтому исследование микродугового оксидирования применительно к восстановлению изношенных деталей машин из алюминия является актуальной задачей.

Цель работы. Разработать технологический процесс восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники из алюминия и его сплавов микродуговым оксидированием (на примере колодцев корпусов шестеренных насосов ШНОЕ).

Научная новизна. Установлена зависимость толщины покрытия и скорости его формирования на литейном сплаве АЛЭ от плотности тока, состава электролита и межэлектродного расстояния. Исследована работоспособность электролита Выявлено влияние режимов ЫДО на микротвердость и равномерность распределения покрытия. Дана оценка энергоемкости процесса Показана возможность расширения полей допусков на размеры восстанавливаемых деталей (на примере соединения "корпус-шестерня" насоса Н1Ш0Е) в результате использования износостойких покрытий, полученных ЩО.

Практическую ценность работы представляют: технологический процесс восстановления и упрочнения колодцев корпусов гидравлических шестеренных насоса НШ10Е, позволяющий восстанавливать работоспособность соединений "корпус-шестерня" при расширенных полях допусков; предложенный оптимальный состав электролита для осуществления данного процесса

Реализация результатов исследований.

Разработанный электролит и технология восстановления и упрочнения колодцев корпусов гидравлических шестеренных насосов приняты к внедрению в Солнечногорском РТП Московской области и Воло-коновском РТП Белгородской области.

Достоверность и обоснованность результатов исследований, выводов и рекомендаций подтверждается использованием обоснованных и общепринятых методов исследований, современных поверенных контрольно-измерительных приборов и оборудования, применением математических методов обработки, достаточной повторностыо экспериментов, результатами стендовых и эксплуатационных испытаний.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научной конференции профессорско-преподавательского состава Российского государственного аграрного заочного университета (г.Балашиха, 1995 г.); на научно-практических конференциях В Орловской ГСХА (г. Орел,1995-1996 гг.); на межвузовской обласной конференции молодых ученых "Проблемы современной науки" (г. Орел. 1996 г.); на семинаре "Информационное и методическое оСеспечение

ч

оценки качества машин при изготовлении и ремонте" (пос. Челюскинский Московской обл. ,1996 г.); на семинаре "Современные технологии восстановления и упрочнения деталей-эффективный способ повышения надежности машин" (г. Москва, 1996 г.); на конкурсе "Молодых ученых" администрации Орловской области (г.Орел,1996 г.); на

заседании кафедры надежности и ремонта машин в РГАЗУ в 1994-1996 гг.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в десяти научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Работа изложена на_страницах машинописного текста, содержит _таблиц,__рисунков, список

использованной литературы из _наименований и приложения.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния состава электролита и режимов МДО на толщину и скорость формирования покрытий.

2. Теоретические положения о расширении полей допусков на размеры восстановленных деталей в результате применения износостойких покрытий, полученных ИДО.

3. 1Ь лучеиные закономерности влияния условий микро дугового оксидирования на физико-механические и эксплуатационные свойства оксидных покрытий.

4. Результаты исследований выхода вещества по энергии в зависимости от плотности тока и состава электролита.

5. Результаты исследований стабильности разработанного электролита для микродугового оксидирования деталей из литейных аллши-ниевых сплавов, равномерности формируемых покрытий, стендовых и эксплуатационных испытаний восстановленных насосов.

6. Разработанный электролит и технологию восстановления и упрочнения колодцев корпусов насосов НШОЕ микродуговым оксидированием при расширенном допуске посадки в соединении "упрочненный корпус-иестерня".

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

На основании проведенного анализа технология восстановления и упрочнения алюминиевых деталей сельскохозяйственной техники показана актуальность создания и широкого применения новых технологий, позволяющих получать покрытия с повышенными физико-механическими свойствами.

Одним из новых способов восстановления, и упрочнения деталей машин из алюминия и его сплавов, позволяющим в значительной степени увеличить их износостойкость, является микродуговое оксидирование. Сущность микродугового оксидирования заключается в том, что на алюминиевую деталь, расположенную в электролитической ванне, через специальный источник питания подается ток, приводящий к образованию на поверхности рассматриваемой детали микроплазменных разрядов, под воздействием которых поверхностный слой детали перерабатывается в оксид алюминия. При ЩО алюминиевых сплавов покрытие формируется за счет пробоя имеющейся оксидной пленки, образовавшейся на стадии анодирования, локального расплавления покрытия и основы, их взаимодействия с газами, образующимися за счет гидролиза и термического разложения воды, и кристаллизации образовавшихся продуктов в условиях интенсивного теплоотвода в электролит.

К основным преимуществам микродугового оксидирования относятся:

- возможность нанесения покрытий как на внешние, так и на внутренние поверхности деталей любой формы;

- простота применяемого оборудования;

- отсутствие необходимости в строгом поддержании температур-

- 7 -

ного режима и простота охлаждающей системы;

- отсутствие предварительной подготовки поверхности перед нанесением покрытия;

- дешевизна и доступность реактивов и материалов;

- широкие возможности регулирования скорости процесса;

- возможность получения полифункциональных покрытий;

- экологичность процесса, отсутствие необходимости в специальных очистных сооружениях.

Однако, несмотря на очевидные преимущества ВДО, до настоящего времени этот процесс еще мало изучен, особенно применительно к восстановлению изношенных деталей сельскохозяйственной техники из литейных алюминиевых сплавов.

На основании литературных источников установлено, что практического опыта широкого использования микродугового оксидирования для восстановления алюминиевых деталей машин нет. Способ применяется в целях упрочнения и защиты от коррозии.

Применение МДО в ремонтном производстве сдерживается также отсутствием технологических рекомендаций для восстановления конкретных деталей.

Учитывая вышеизложенное, целью настоящей работы явилось дальнейшее исследование микродугового оксидирования, а также разработка технологии восстановления и упрочнения алюминиевых деталей сельскохозяйственной техники данным способом.

В качестве объекта для производственной проверки технологии микродугового оксидирования с целью восстановления и упрочнения деталей был выбран корпус гидравлических шестеренных насосов НШОЕ.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- 8 - " •

1. Выбрать вид электролита и экспериментально обосновать состав и концентрацию основных компонентов.

2. Исследовать влияние состава электролита и режимов МДО на толщину, скорость формирования и микротвердость покрытий.

3. Изучить стабильность предлагаемого электролита и равномерность нанесения оксидных покрытий.

4. Провести оценку энергоемкости процесса.

5. Исследовать эксплуатационные свойства покрытий.

6. Разработать технологический процесс восстановления и упрочнения изношенных деталей (на примере колодцев корпусов насосов НШ10Е).

7. Провести стендовые и эксплуатационные испытания насосов ИШ.ОЕ, восстановленных по новой технологии.

8. Дать практические рекомендации и определить их технико-экономическую эффективность.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕХАНИЗМА ФОРМИРОВАНИЯ КЕРАМИКИ НА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ И ОБОСНОВАНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СОЕДИНЕНИЯ "УПРОЧНЕННЫЙ КОРПУС-ШЕСТЕРНЯ" НАСОСА НШ10Е

Основной задачей при использовании микродугового оксидирования для восстановления и упрочнения изношенных деталей машин является получение толстослойных покрытий, позволяющих компенсировать износ.

Практическая реализация МДО всегда требует тщательного согласования пары металл-электролит.

Электролиты для МДО делятся на три типа:

1. Растворы, в которых упрочненный слой образуется за счет

- 9 -

окисления металла (растворы кислот, щелочей).

2. Растворы, в которых покрытие создается за счет анионов электролита (растворы жидкого стекла). В этом случае покрытие формируется наружу, увеличивая линейные размеры образца.

3. Растворы, в которых покрытие формируется за счет окисления металла и за счет анионов электролита (смеси растворов первого и второго типов).

В промышленности наибольшее применение получили электролиты первой группы. При этом, как отмечается, геометрические размеры обрабатываемых деталей не изменяются, покрытие формируется с внутренней стороны, т. е. на границе раздела "металл-пленка".

Проведенные нами предварительные исследования показали, что при микродуговой обработке литейного сплава АЛЭ в электролитах первой группы наблюдается значительное уменьшение геометрических размеров оксидируемых образцов. При этом на режим МДО выйти довольно зложно, требуется достаточно, высокая плотность тока (40-60 А/дма). :

При обработке сплава АЛЭ в электролитах второй группы качественного покрытия получить не удалось.

Наиболее перспективным в этом отношении оказался электролит третьей группы, типа "К0Н-Ыа23103".

При выборе состава электролита учитывалось, что концентрация КОН влияет на агрессивность электролита, проявляющуюся в травлении поверхности оксидируемого материала и образующегося покрытия. С другой стороны, концентрация электролита по КОН влияет на его удельную электропроводность. '

В качестве второго компонента электролита использовали жидкое стекло Ма2ЗЮз.

Можно предположить, что увеличение линейных размеров образ-

цов в электролите типа "К0Н-Ма25Ю5" происходит за счет кошонен-тов кремния, содержащегося в жидком стекле. Очевидно, при ВДО твердые продукты реакций осаждаются на поверхность алюминиевого образца, дегидратируются и спекаются под действием искр. Полученные покрытия в данном случае можно рассматривать как соединения с фазами 2А1г03*23Ш2 - муллита, А1205*23Ш^ - каолина, - силиманита.

Таким образом, выявлено, что добавка жидкого стекла в щелочной электролит приводит к увеличению толщины формируемых покрытий.

Следовательно, используя щелочной электролит с добавками Ыа^ЗШз, можно применить его не только для упрочнения, но и восстановления изношенных поверхностей алюминиевых деталей.

В нормативно-технической документации, в частности, в ремонтных чертежах и картах технологических процессов восстановления деталей машин требуемые уровни их точности нормируются по аналогии с изготовлением новых. Однако в условиях ремонтного производства обеспечить такую степень точности обработки очень трудно и не всегда целесообразно. Так, проведенные обследования показали, что свыше половины всего станочного парка ремонтных заводов не обеспечивает требуемых показателей точности. Это обусловлено, прежде всего, его состоянием. Для финишной обработки восстановленных деталей здесь используют станки со сроком службы более 10 лет, а в мастерских РТП более 40% - свыше 20 лет.

Резкое увеличение износостойкости восстановленных деталей позволяет по иному подойти к рационализации точности их обработки. Запас точности является функцией износостойкости рабочей пары. Поэтому применение износостойких покрытий дает возможность расширить поля допусков на размеры по сравнению с заводскими.

На рис. 1 показана схема определения относительной изно-

состойкости подвижных соединений (соединение "корпус-шестерня" насоса Ш10Е).

а — 8

ь5 й с

3 . Зт»

д

1■'тЫМ

Рис. 1. Схема определения относительной износостойкости подвижных соединений (соединение "корпус-шестерня" насоса НИИОЕ)

Заводские соединения заданы допуском на изготовление Тз{с), ограниченным минимальным (Зггип(с)) и максимальным ( Зп-ах(с)) аазо-рами. Средний зазор в новом соединении:

Функция изменения среднего зазора в таком соединении в зависимости от наработки изображена прямой 1. При наработке Ьср(с) зазор достигает предельного значения (Бпр(с)) - точка "а".

Если для восстановления данного соединения выбрать покрытие, сформированное МДО, то функция изменения среднего зазора будет представлять собой прямую 2. В этом случае наработка, при

I 1 )

которой б соединении достигается предельный зазор (точка "в"), значительно больше наработки серийного.

В целях обеспечения равенства наработки заводских и восстановленных соединений точку "в" совмещаем с точкой "а" и проводим прямую 3, эквидистантно прямой 2. Тогда за счет износостойкого покрытия получим увеличение среднего зазора до значения (Бср(у)). Приращение дБ = 5ср(у) - 5ср(с) в этом случае определяет увеличение допуска на посадку восстановленного соединения при сохранении ресурса неупрочненных деталей.

Для построения зависимости максимального зазора в соединении "корпус-шестерня" после упрочнения от относительной износостойкости К1 предложена формула:

г1 _ С * ^ I £тах<с)

¿таг^Г дпРи) К1 ' ( 2 )

где 5шах(у) - максимальный зазор в соединении после упрочнения поверхности корпуса насоса; К1 - относительная износостойкость деталей соединения. Для определения приращения максимального зазора посадки от относительной износостойкости деталей соединения Ш используем формулу:

д С = с + •$ (3)

^-Ъо* ¿прса «£ ^тал(с) -Щ

Зависимость допуска посадки от относительной износостойкости деталей определяем по формуле:

& ^тог , ( 4 )

где -Тз(у) допуск посадки соединения после упрочнения корпуса

насоса.

Для различных Ка параметры посадки соединения "корпус-шестерня" гидравлического шестеренного насоса НШОЕ даны в табл. 1. Теоретические зависимости параметров посадки от относительной износостойкости соединения представлены на рис. 2 и 3.

Таблица 1

Зависимость параметров посадки "корпус-шестерня" насоса НШОЕ от относительной износостойкости соединения

Относительная износостойкость

Параметры посадки

Максимальный зазор(Зтах(у)), мм

Приращение максимального зазора (Smax), мм

Допуск посадки CTS (у)),мм

1 2

3

4

0,12? 0,154 0,162 0,167

О

0,026 0,035 0,040

0,052 0,078 0,087 0,092

Для прогнозирования относительной износостойкости соединения нами разработана методика. Она позволяет по заданным геометрическим параметрам при ремонте насосов определить требуемую относительную износостойкость упрочненных деталей, которая обеспечит ресурс соединения не низке серийного. Для расчета используем формулу: ^ _ £

Кi — ^ Ьтахю ( 5 )

Jnpty) S тая.( 9) »

0.03

№ 0.01

мм.

0,20

0.15 0,10

2

у <

* 2 К

Рис. 2 Теоретические зависимости максимального зазора Зшах(у) - 1 и ЛЗшах - 2 от относительной износостойкости соединения "корпус-шестерня" Кь

Рис. 3. Теоретическая зависимость допуска посадки Тз(у) от относительной износостойкости соединения Кх.

При максимальном зазоре в соединении в пределах 5шах( сХБтах(у) <3пр(с) необходимая относительная износостойкость при Зюх(у) = 0,154 мм (максимальный зазор соединений деталей поступающих на сборку после упрочнения) будет равна:

и - 0,№~ОЛ27 _оп?о 14 ~ а.180'0.154

При Зтах(у) = 0,162 мм:

К,

0.180-0.12? 0,180- 0.162

¿94

Максимальный зазор соединений для расчета относительной износостойкости определяется исходя из установившихся характеристик рассеивания размеров деталей, поступающих на сборку, на конкретном ремонтном предприятии.

Таким образом, при увеличении максимального зазора посадки с 0,12? мм (для серийного соединения) до 0,150 мм (после ремонта) необходимо обеспечить относительную износостойкость не ниже 2,038; при зазоре 0,160 мм она должна быть не ниже 2,940. В этом случае ресурс соединения после ремонта будет на уровне серийного.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Материалом, упрочняемым микродуговым оксидированием, служил литейный алюминиевый сплав АЛЭ. При выборе материала исходили из того, что указанный сплав применяется при изготовлении корпусов насосов НШ1ПЯ

Электролит готовили путем растворения в дистиллированной воде химических реактивов: гидроксида калия (КОН ГОСТ 9285-76) квалификации "ЧДА" и жидкого стекла (Ма2ЗЮэ ГОСТ 130078-81).

Формирование оксидных покрытий производили на установке, работающей от трехфазной цепи частотой 50 Гц, напряжением 380 В, позволяющей осуществлять МДО в анодно-катодном режиме.

Кислотность растворов измеряли с помощью универсального рН-метра модели "рН-121".

При исследовании работоспособности электролита использовали химический метод анализа.

Микрорентгеноспектральный анализ образцов с оксидными покрытиями,. полученными МДО, проводили с помощью рентгеновского микроанализатора 1ХА-50А.

Полный выход вещества по энергии определяли по формуле:

где ГП{ - масса образца до МДО, г;

т^ - масса образца с покрытием, г;

£ - электроэнергия, затраченная на формирование покрытия, кВтач.

Эффективный выход вещества определяли по формуле:

где т} - масса образца с покрытием после шлифования, г.

Для подсчета израсходованной электроэнергии использовали счетчик трехфазного переменного тока типа Ш4-СА4.

Общую толщину покрытия измеряли металлографическим методом

( 6 )

эф Е

- "7? - т* , Г/кВт-и

( 7 )

на микротвердомере ШТ-3 с помощью окулярмикрометра АК9-2 при увеличений х500.

Изменение линейных размеров образцов контролировали рычажным микрометром МР-25 ГОСТ 4381-87.

Микротвердость покрытий измеряли на шлифах с помощью микротвердомера ПМТ-3 с нагрузкой на индентор 1,962 Н (ГОСТ 9450-76).

Равномерность распределения оксидных покрытий по длине и диаметру изучали на плоских и цилиндрических образцах.

Сравнительную износостойкость поверхностей образцов исследовали в условиях граничной смазки на машине трения ИИ5018 при скорости скольжения 0,52 м/с и нормальной нагрузке до 3,0 МПа. Контртелом служила колодка из Стали 45, закаленная до НЕС 40-45. Процент засорения составлял 0.14Z по массе масла. Засоритель -оксид алюминия дисперсностью 3-6 мкм.

Значение износа колодки и ролика определяли гравиметрическим методом с использованием весов ВЛА-200.

Ускоренные стендовые испытания гидравлических шестеренных насосов НШОЕ с корпусами, восстановленными микродуговым оксидированием в разработанном электролите и серийными (новыми), проводили в соответствии с РД 70.0009.006-85, разработанным ВНПО "Рем-деталь" и ГОСТ 23.224-86. Концентрация засорения составляла 1 г/л масла. Засоритель - кварцевый песок дисперсностью: 5-20 мкм -70% и 30. ..40 мкм - 30%. Испытания проводили на стенде КИ-4200.

Замеры диаметров колодцев корпусов производили при помощи нутромера 18-50 ГОСТ 9244-75. Диаметр шестерен определяли рычажным микрометром МР-50 ГОСТ 4381-87.

Оценку износостойкости упрочненного соединения "корпус-шестерня" насосов Н1Ш.0Е при испытаниях проводили по средней для испытанных образцов интенсивности изнашивания 1в, определяемой по

формуле:

где - линейный износ упрочненного соединения, м;

- путь трения соединения, соответствующий износу Мв, м.

Интенсивность изнашивания серийного соединения определяли по формуле:

Относительная износостойкость соединения определялась путем соотношения:

где «4 " интенсивность изнашивания серийного соединения;

интенсивность изнашивания упрочненного соединения.

Цри проведении стендовых испытаний насосов НШ10Е применяли полный факторный эксперимент.

Выявление закономерности распределения размеров изношенных колодцев корпусов насосов НШОЕ производили с помощью методов теории вероятности и математической статистики с использованием ЭВМ СМ 1600.

( 9 )

где линейный износ серийного соединения, м.

( 10 )

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Толщина и скорость формирования покрытий. Результаты исследований показали, что при использовании комбинированного электроли- _ та типа "КОН-КазЗЮз" упрочненный слой формируется не только вглубь металла, но и наружу, увеличивая линейные размеры образца. Увеличение линейных размеров происходит за счет компонентов жидкого стекла. Присутствующие в электролите катионы 3)0- под действием микродуговых разрядов входят в состав упрочненного слоя, а количество их определяется концентрацией жидкого стекла в электролите.

На толщину и скорость формирования покрытий значительное влияние оказывают концентрация жидкого стекла в растворе, плотность тока, расстояние между электродами и продолжительность МДО. С повышением концентрации Маг5Ю3 свыше 14 г/л раствора микродуговые разряды сменяются мощными дуговыми, приводящими к разрушению покрытия.

При концентрации Ма^ЗШз ниже 10 г/л толстослойные покрытия получить не удается.

Повышение плотности тока интенсифицирует окисления, благодаря

чему толщина слоя, формируемого за одно и то же время, растет с

увеличением плотности тока. Рациональный интервал плотностей тока

2

для обработки литейного сплава АЛ9 составляет 20-25 А/дм .

При микродуговом оксидировании расстояние между электродом и деталью, в целях получения максимальной толщины оксиднога слоя, должно быть минимальным (10. ..15 мм), но не допускающим короткого замыкания. Прирост на сторону после шлифования в этом случае составит 40-50 мкм при общей толщине керамики 60-70 мкм (с учетом

модифицированного внутреннего слоя основы) при продолжительности ВД0--120 мин и Дт = 20 А/дмг.

Продолжительность обработки литейного сплава АЛ9 должна составлять 90-120 мин.

Работоспособноеть электролита зависит от продолжительности работы ванны ВДО, площади обрабатываемой поверхности и режимов процесса.

ДЛя сохранения работоспособности необходимо поддерживать исходное значение рН раствора и концентрации кремния путем добавления в электролит жидкого стекла.

Шкротвердость покрытий, полученных ВДО составляет 8500-10000 МПа. Повышенная микротвердость обуславливается наличием в структуре твердофазных ^и У оксидов алюминия. С повышением концентрации жидкого стекла в электролите микротвердость покрытий снижается. При концентрации Nag Si05 - 2 г/л микротвердость покрытия составляет 10000 МПа, а при 1В г/л - уменьшается до 5000 МПа. Покрытие, полученное при большой концентрации Ма^БШз в растворе очень рыхлое и легко удаляется.

Снижение микротвердости покрытий объясняется тем, что в структуре, преобладающей фазой становится фаза муллита -2Al203*2Si0^.

Равномерность покрытий по длине образцов определяли, используя критерий равномерности Кр:

Кр - х {QQ% , < " >

«то«

где S/ni/p£та% ~ наименьшая и наибольшая толщины покрытий'в сравниваемых поясах образца, ш'

При^г £та* критерий равномерности имеет наибольшее значение, а покрытая поверхность образца близка к идеальной форме.

В результате исследований установлено, что при уменьшении межэлектродного расстояния равномерность покрытий увеличивается. При

а

рациональных плотностях тока Дт = 20-25 А/дм и минимальном межэлектродном расстоянии равном 10-15 мм Кр = 95%.

Износостойкость покрытий. Исследования износостойкости покрытий, полученных при оптимальных режимах МДО, показали, что зависимость износа от времени носит линейный характер. При этом было установлено, что износостойкость керамического покрытия, полученного в электролите с концентрацией жидкого стекла 10 г/л при

о

плотности тока 20 А/дм , в 8 раз выше износостойкости сплава АЛ9, принятого за эталон сравнения. Однако в исследуемой паре трения по сравнению с эталоном отмечено снижение износостойкости колодки на 11,9X. Вместе с тем износостойкость пары трения с керамическим покрытием ролика в 2,3 раза выше износостойкости эталонной пары.

Анализ результатов исследований износостойкости позволил заключить, что покрытия, полученные МДО, обладают достаточно высокой износостойкостью и могут быть рекомендованы для восстановления и упрочнения алюминиевых деталей сельскохозяйственной техники.

Стендовые и эксплуатационные испытания* Для оценки долговечности деталей, восстановленных и упрочненных МДО,были проведены стендовые и эксплуатационные испытания насосов НШ10Е с упрочненными корпусами и увеличенным допуском посадки "корпус-шестерня" в сравнении с серийными насосами.

Исследования показали (рис. 4 ), что для серийных соединений, собранных с начальным зазором 0,12 мм, продолжительность испыта-

* Исследования проведены совместно с к. т.н. Голубевым И.

ний до достижения предельного зазора составила не более 12 часов. Для упрочненных соединений при увеличенном начальном зазоре 0,14 мм она составила более 18 часов. Относительная износостойкость упрочненного соединения в зависимости от микротвердости поверхности колодцев насоса составила 2,037-2,771.

Это позволило для упрочненных соединений "корпус-шестерня" насосов НШ10Е увеличить допуск посадки в 1,23 раза в сравнении с серийными (табл.2).

При этом функциональные показатели насосов не ухудшаются. Снижение действительной подачи насосов с упрочненными корпусами менее интенсивно, чем у серийных насосов, (рис.5). У насосов с упрочненными корпусами предельное состояние наступает в 2 раза медленнее, чем у насосов без упрочнения корпусов.

Для установления влияния основных факторов и их взаимодействия на изменение зазора соединения "корпус-шестерня" насоса НШОЕ было проведено исследование с использованием планирования факторного эксперимента Окончательно уравнение регрессии полученной модели приняло вид:

у- а 16 тшгт%+ш^-отш « >

где XI, Хг, Хз - кодированные значения переменных параметров: начального зазора в соединении (X*), микротвердости корпуса (Хг) и продолжительности испытаний (Х3).

Анализ полученного уравнения регрессии показывает, что на динамику изменения зазора соединения "корпус-шестерня" насоса ШОЕ значительное влияние оказывает микротвердость поверхности

колодцев корпуса. С уменьшением микротвердости скорость изменения зазора увеличивается.

Эксплуатационные испытания шестеренных насосов НШ10Е с упрочненными корпусами и увеличенным в 1,23 раза допуском посадки "корпус-шестерня" были проведены в отделе испытаний Информагро-тех. Испытания показали, что при наработке 610-640 моточасов у

Таблица 2

Рекомендуемые изменения посадки восстановленного соединения "корпус-шестерня" насоса НШОЕ

N

п/п

Параметр

Соединение "корпус-шестерня"

Серийное

Восстановленное

1.

Посадка

Зазоры , мм Зш1п Зтах 5пр

Допуски посадки, мм Поле допуска корпуса Допуск отверстий корпуса, мм Квалитет точности

+0,027

Н?

39

-0,071, (17-0,100

0,075 0,127 0,180 0,052 Ш

0,027 7

+0,039

Н8

39

-0,075 <17 -0,100

0,075 0,139 0,180 0,064 Н8

0,039 .8

2

б

ММ

азо ом

Г

>

и п

в

12

Рис. 4. Зависимость зазора в соединении "корпус-шестерня" от продолжительности испытаний. 1~без упрочнения (Бн=0,12 мм); 2- с упрочнением (5н=0,14мм).

У^сф 6.0

й.0

N N к

ь « т.

Рис. 5. Зависимость действительной подачи Уд насоса Ш10Е от продолжительности испытаний Т. 1-без упрочнения (5н-0,12 мм); 2-е упрочнением (5н-0,14мм).

испытываемых насосов действительная подача была не ниже, чем у серийных насосоЕ. Из результатов заключительной экспертизы следует, что долговечность упрочненного соединения с увеличенным начальным допуском посадки не ниже, чем у серийного соединения.

5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Технология восстановления и упрочнения деталей микродуговым оксидированием включает в себя следующие основные операции: предварительную механическую обработку, промывку, монтаж на подвеску, МДО, демонтаж с подвески, промывку, сушку, последующую механическую обработку.

Формирование покрытия необходимо производить в электролите, содержащем 0,9-1,1 г/л КОН и 10-14 г/л Na2Si03. Рекомендуемая плотность тока 20-25 А/дм12, продолжительность МДО - 90-120 мин. При этом анодная составляющая напряжения на 3-8 минуте МДО должна быть более 200 В, а катодная не более 60 В. По мере протекания МЦО анодное напряжение должно возрастать. Для финишной механической обработки целесообразно применение эластичного абразивного инструмента.

Проведенный наш комплекс научных исследований позволил разработать и предложить ремонтному производству технологический процесс восстановления и упрочнения колодцев корпусов гидравлических шестеренных насосов НШ10Е способом МДО в проточном электролите.

Схема установки (рис.6) для микродутовой обработки корпусов насосов Еключает в себя ванну с рубашкой водяного охлаждения 8, иелочестойкий насос с электроприводом 2, капроновые трубопроводы. Восстанавливаемый корпус насоса НШОЕ ? крепится болтами к фтороп-

Рис.6.: Схема установки для упрочнения колодцев корпусов насосов НШОЕ. 1-вентиль; 2-щелочестойгаш насос; 3-электродвигатель; 4-злектрод; 5-фтороплас-товая опорная пластина; б-эаглушкз; 7-корпус насоса НШОЕ; 8-электролитическая ванна.

ластовой пластине 5 и завешивается над ванной с электролитом. Электролит с помощью насоса подается в полость восстанавливаемого корпуса, затем удаляется через его края и снова подается в ванну. Прокачивание электролита обязательно, в противном случае он перегревается и выкипает, что приводит к нестабильности процесса. Подача электролита регулируется с помощью вентиля 1.

Следует отметить, что корпуса с износом более 40 мкм, которые с учетом предварительной механической обработки практически невозможно восстановить МДО, целесообразно растачивать под ближайший ремонтный размер, а затем уже подвергать упрочнению.

Разработанный технологический процесс принят к внедрению Во-локоновским РТП Белгородской области и Солнечногорским РТП Московской области, производящими ремонт гидравлической аппаратуры.

Технология позволяет восстанавливать работоспособность соединений "корпус-шестерня" при расширенных полях допусков, что компенсирует потерю ресурса насосов в следствии погрешности производства и снижает себестоимость механической обработки. Годовой экономический эффект от внедрения составит около 1955000 руб. при программе 5000 насосов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании анализа литературных источников установлено, что одним из перспективных способов восстановления и упрочнения изношенных алюминиевых деталей является микродуговое оксидирование.

2. Проведенные исследования подтвердили теоретические положения о возможности использования щелочного электролита с добавками жидкого стекла для восстановления и упрочнения алюминиевых деталей.

3. Для микродуговой обработки литейного алюминиевого сплава АДУ рекомендованы оптимальные параметры процесса: плотность тока - 20-25 А/ дм2; электролит: гидроксид калия - 0,9-1.1 г/л, жидкое стекло - 10-14 г/л; продолжительность МДО - 90-120 мин. При этом эффективный прирост на сторону составит 40-50 мкм, при общей толщине покрытия 60-70 мкм; скорость формирования наружного слоя 40-45 мкм/ч; микротвердость покрытия 8500-10000 МПа.

4. Для получения равномерных покрытий необходимо изготавливать специальные электроды, повторяющие конфигурацию детали. При этом для получения толстослойных покрытий расстояние между электродом и обрабатываемой деталью должно быть не более 10-15 мм.

5. Впервые исследована энергоемкость анодно-катодаого микродугового оксидирования. Установлено, что энергоемкость зависит от режимов МДО. Эффективный выход вещества по энергии на рациональных режимах составит 0,25-0,30 гр/кВт*ч.

6. Работоспособность электролита зависит от продолжительности работы ванны МДО, площади обрабатываемой поверхности и режимов процесса. Для сохранения работоспособности необходимо поддержи-

вать исходное значение рН раствора и концентрации кремния путем добавления в электролит жидкого стекла.

V. Износостойкость покрытий, полученных МДО на рациональных режимах на алюминиевом сплаве АЛ9, в 8 раз выше износостойкости данного сплава без покрытия.

3. Проведенные стендовые испытания шестеренных насосов НШ10Е показали, что интенсивность изнашивания соединения "корпус-шес-

- - -м ,

терня" серийного насоса составила ь,Мс-*.. (износ, м/путь тре-

-40

ния, м), а опытного насоса с упрочненным корпусом - 2,950*10 Это подтверждает теоретические предположения о возможности расширения допусков посадок соединений деталей, восстановленных по упрочняющей технологии.

9. Для исследованных соединений "упрочненный корпус-шестерня" насосов ИНОЕ допуск посадки можно увеличить в 1,23 раза в сравнении с серийными, т.е. с 0,052 до 0,064 мм. Это достигается путем увеличения допуска размера колодцев корпуса с 0.027 до 0,039 мм. что позволяет изменить квалитет точности с-седьмого на восьмой.

10. Эксплуатационные испытания показали, что при средней наработке 610-640 моточасов эксплуатационные показатели опытных насосов с увеличенным допуском посадки соединения "упрочненный корпус-шестерня" были на уровне серийных.

11. На основе проведенных исследований разработан технологический процесс восстановления и упрочнения колодцев корпусов шестеренных насосов НШ10Е, который принят к внедрению Солнечногорским РТП Московской области и Волоконовским РТП Белгородской области.

, Технология позволяет восстанавливать работоспособность соединений "корпус-шестерня" при расширенных полях допусков, что

компенсирует потерю ресурса насосоЕ в следствии погрешности

производства и снижает себестоимость механической обра- _ ботки. Годовой экономический эффект от внедрения составит около 1955000 руб. при программе 5000 насосов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Кузнецов Ю. А. Микродуговое оксидирование - перспективный способ восстановления и упрочнения алюминиевых деталей //ВСХИЗО -агропромышленному комплексу. Сборник научных трудоБ / Всероссийск. сельхоз. институт заоч. обучения. - 1995. -С. 251-253.

2. Новиков А. Е , Кузнецов Ю. А. Микродуговое оксидирование алюминия и его сплавов // Внедрение достижений науки в сельскохозяйственное производство и ученый процесс в условиях перехода к рыночной экономике: Тез. докл. научно-практической конф. ОГСХА. -Орел, 1995. -С. 113-114.

3. Батищев А. Н. .Новиков А. Е .Кузнецов Ю. А. Микродуговое оксидирование литейного сплава АЛ9 // Проблемы современной науки: Тез. докл. межвузовской- областной конференции молодых ученых. -Орел, 1996. -С. 107-109.

4. Батищев А. Е.Кузнецов Ю. А. , Барыкин ЕЕ Оценка работоспособности электролита при микродуговом оксидировании алюминиевых сплавов // Современные технологии восстановления и упрочнения деталей - эффективный способ повышения надежности машин: Материалы семинара. - Москва, 1996. -С. 28-29.

5. Батищев А. Е , Новиков А. Е , Кузнецов Е А. Восстановление алюминиевых деталей сельскохозяйственной техники микродуговым

оксидированием

// Инженерно-техническое

обеспечение

АПК. -1996. -N4. -С. 18-19.

6. Еатищев А. Н. . Голубев И. Г.. Кузнецов Ю. А. Прогнозирование относительной износостойкости соединения "корпус-шестерня" насоса НШОЕ при увеличенном допуске посадки //Современные технологии восстановления и упрочнения деталей - эффективный способ повышения надежности машин: Материалы семинара. - МоскБа. 1996. -С. 95.

7. Ватищев А. Я. . Голубев И. Г. . Новиков А. Н. . Кузнецов Ю. А. Применение микродугового оксидирования для увеличения ресурса соединения "корпус-шестеня" насоса НШОЕ // Информационное и методическое обеспечения оценки качества машин при изготовлении и ремонте-. Материалы семинара. - пос. Челюскинский Московской обл. .1996. -С. 20-21.

8. Батищев А. Н. . Кузнецов Ю. А.,Новиков А. Н. . Голубев И. Г. Сбосо-ъание относительной износостойкости соединения "корпус-шестерня" гидравлического насоса НШОЕ // Механизация и электрификация сельского хозяйства.-1996. - N11. -С. 23-29.

9. Еатищев А. Е .Кузнецов Ю. А.,Новиков А. Н. .Голубев И. Г. Формирование упрочняющих покрытий микродуговым оксидированием на алюминиевых сплавах // В rai. "Концепц. разв. высок, технолог, пронос, и ремонт транспортных средств в условиях постиндустриальной экономики" Тез. докл. 3-ей Межд. научно-практической конференции. -Оренбург. ОГУ. 1007.

10. Методические рекомендации по расчету точности геометрических параметров восстановленных деталей и соединений //Минсельхозпрод. Разработчики: Батииев А.Н., Голубев il,Г., Бурумкулов Î.X., Кузнецов к'.А., Сабиров М.Х., Новиков А,!!., Спицын И.А. -Москва,1997,

Подписано к печати 19.04,94 Формат 60x84/16 Печать офсетная. Бумага офсетная №1. I печ.л. ТЬфаж 100 9кз. Заказ и ?

Участок оперативной печати Согадорнии _ 143900. моек.обл., г.Балашкха-6, ш.Энтузиастов, 79