Подписка
Автор: 
В.И. Иванов, к. т.н., А. Ю. Костюков, к. т.н., ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, е‑mail: 11‑lab@mail.ru

Работа машин и механизмов неразрывно связана с силовым, тепловым, химическим и другими видами воздействия на рабочие поверхности деталей. Эти воздействия приводят в процессе эксплуатации к изменению размеров деталей и утрате их эксплуатационных свойств. Увеличение ресурса деталей и экономное восстановление их работоспособности является одной из наиболее актуальных задач машиностроительного и ремонтного производств.

 

Решению задачи увеличения ресурса и восстановления деталей машин и механизмов посвящены многие исследования отечественных и зарубежных специалистов крупных фирм-производителей и научно-исследовательских организаций разных отраслей. В этой статье на примере одной из областей применения приведены результаты исследований и практического использования одного из наиболее универсальных методов нанесения металлопокрытий — электроискрового, широко известного в России и за рубежом под названием «электроискровое легирование» (ЭИЛ) [1].

 

Проводимые за рубежом работы посвящены дальнейшему изучению явлений на контакте «анод — катод» при ЭИЛ, улучшению свойств электроискровых покрытий оптимизацией параметров разрядных импульсов, исследованию силового воздействия электрода на деталь в процессе обработки, улучшению электродных материалов путем предварительной обработки их методом ЭИЛ, применению этого метода. Системные исследования, направленные на создание экономичных технологий применения метода ЭИЛ для увеличения ресурса деталей и восстановления их работоспособности, ведутся в ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (г. Москва).

 

Согласно разработанной классификации [2], все объекты, обрабатываемые методом ЭИЛ, объединены в 8 классов. В этой работе рассмотрены преимущественно объекты, контактирующие в процессе эксплуатации с металлами. Это поверхности скольжения пар трения различных механизмов и агрегатов, которые можно назвать малонагруженными, т. е. р < 0,2σs (класс 1‑й), и поверхности неподвижных соединений (посадочные поверхности под подшипники качения и т. п.) валов, осей и корпусных деталей — средненагруженные,
0,2σs < р < 0,5σs (класс 2‑й).

 

Общими преобладающими факторами, инициирующими износ рабочих поверхностей объектов этих двух классов, являются силовое нагружение и наличие между контактирующими поверхностями твердых элементов. Кроме того, объектам 1‑го класса характерно адгезионное взаимодействие материалов пары трения и наличие на поверхности контакта химически активных веществ, а объектам 2‑го класса — циклические микроперемещения, способствующие фреттинг-коррозии. Эти факторы являются причиной появления на рабочих поверхностях деталей характерных дефектов: изменение размеров (уменьшение диаметра вала и увеличение диаметра отверстия), вырывы, задиры, царапины; до 85% деталей имеют износ до 150 мкм на сторону.

 

Обычно применяемые методы восстановления размеров наружных поверхностей таких деталей и устранения дефектов — это наплавочные, с последующей механической обработкой. При этом деталь подвергается значительному температурному воздействию и ее материал разупрочняется, удаляется основная часть нанесенного слоя. Дефекты внутренних поверхностей деталей устраняют либо расточкой (тогда требуется ответная деталь большего размера), либо наплавочными методами с последующей механической обработкой, либо применением комплекса операций: расточка отверстия — изготовление втулки — установка ее и закрепление на детали — координатная расточка с последующим хонингованием или без него. Известно также эффективное использование металлополимеров, но оно имеет свои ограничения.
Метод ЭИЛ позволяет решать эти проблемы более технологично и экономично. Это связано с возможностью путем управления электрическими режимами нанесения покрытий требуемой толщины в пределах от нескольких микрометров до миллиметра, а при определенных приемах — до 10 и более миллиметров [3]. При этом использование в качестве электродов любого из токопроводящих материалов, включая чистые металлы, их сплавы, а также металлокерамические твердые сплавы, графиты, обеспечивает придание поверхностным слоям требуемых функциональных свойств. Исследованиями и эффективным многолетним применением этого метода на различных предприятиях показано, что специфичный рельеф поверхности (рис. 1), отличающийся от привычного после механической обработки, не является препятствием для успешного использования и обладает определенными преимуществами и для пар трения, и для неподвижных соединений [4].

 

Рис. 1. Рельеф поверхности электроискрового покрытия

Рис. 1. Рельеф поверхности электроискрового покрытия

 

Лаборатория электроискровых и термодиффузионных процессов развивает упрочняющие и восстановительные технологии и оборудование для их реализации, одним из методов которых является ЭИЛ. На рис. 2 приведены результаты исследований технологических возможностей современной наиболее универсальной установки «БИГ‑5».

 

Рис. 2. Максимальная толщина покрытий на стали 45 установкой «БИГ‑5»

Рис. 2. Максимальная толщина покрытий на стали 45 установкой «БИГ‑5»

 

Многообразие свойств токопроводящих материалов, используемых в качестве электродов для ЭИЛ, отражается в различии структурных и фазовых превращений в поверхностном слое, интенсивности переноса электродного материала и, соответственно, в различии значений максимальной толщины покрытия, что подтверждается данными рис. 2. Отметим, что применение известных и оригинальных технологических приемов (подача в зону обработки защитных газов, чередование обработки ЭИЛ с поверхностно-пластическим деформированием и др.) позволяет увеличить приведенные на рис. 2 значения толщины в 2–3 раза. Максимальная производительность обработки составляет 10 –12 см2/мин.

 

Приведем описание технологических приемов устранения типовых дефектов деталей машин, появившихся в процессе их эксплуатации, на примере выполненных лабораторией работ. При этом отметим, что кратковременность (не более 2 мс) и локальность (до 1 мм2) действия электрических разрядов на поверхность детали исключают перегрев всей ее массы. Это является одним из важных отличительных преимуществ метода ЭИЛ перед многими другими известными методами нанесения покрытий и дает возможность восстанавливать размеры деталей самой разнообразной номенклатуры.

 

На рис. 3 показаны посадочные поверхности под подшипники качения валов оборудования пищевой (а) и деревообрабатывающей (б) промышленности. Диаметральный износ составлял до 140 мкм.

 

а) Рис. 3. Восстановление наружных посадочных поверхностей                             

б) Рис. 3. Восстановление наружных посадочных поверхностей
Рис. 3. Восстановление наружных посадочных поверхностей

 

Технология восстановления такой поверхности достаточно проста. Она заключается в нанесении методом ЭИЛ слоя электродного материала (предпочтительно хромистая сталь, но возможно применение иных сталей, бронз, твердого сплава) толщиной 60–70 мкм и последующей нетрудоемкой доводке покрытия шлифовальной шкуркой вручную на токарном станке. Применение в этом случае шлифовального оборудования нерационально, т. к. величина припуска на механическую обработку мала и потребуется выполнить дополнительные операции правки детали и центровочных отверстий для исключения ее биения при обработке.

 

Технологию восстановления посадочных отверстий корпусных деталей покажем на примере коренных опор и крышек блока цилиндров дизельного двигателя (рис. 4). В качестве электродного материала в данном случае использовалась бронза БрКМц3-1.
При незначительном износе опоры (рис. 4а) — до 150 мкм — достаточно однократно нанести покрытие толщиной 180–200 мкм, что обеспечивает электроискровая установка «БИГ‑4» или более мощная «БИГ‑5», энергия импульсов не более 1,5 Дж. Время обработки одной опоры с необходимым качеством — 12–15 мин. Полученный припуск в пределах 20…30 мкм вполне достаточен для последующей механической обработки опоры в номинальный размер. При значительном износе таких деталей (более 0,3 мм) покрытие необходимо нанести за несколько циклов, что повышает время обработки методом ЭИЛ в 2–3 раза. Возможен и другой вариант, когда после первого прохода электроискровым методом дальнейшее наращивание слоя производится напылением порошкового материала С‑01–11 (на основе меди и цинка) на газодинамической установке «ДИМЕТ–405». Этот прием позволяет создать качественное покрытие с высокой прочностью сцепления с материалом детали. Слой газодинамического покрытия заполняет неровности электроискрового слоя, который в данном случае является армирующим элементом для газодинамического покрытия, так как обладает большим сопротивлением на сжатие и срез.
Аналогична технология восстановления крышек блока цилиндров (рис. 4б).

 

 

 а) Рис. 4. Восстановление коренных опор (а) и крышек коренных опор (б) блока цилиндров

б) Рис. 4. Восстановление коренных опор (а) и крышек коренных опор (б) блока цилиндров
Рис. 4. Восстановление коренных опор (а) и крышек коренных опор (б) блока цилиндров

 

Приведем пример применения ЭИЛ для устранения часто встречающихся локальных дефектов на поверхностях, работающих в условиях трения скольжения. На рис. 5 показана гильза цилиндра дизельного двигателя. Обычно в результате продолжительной эксплуатации на гильзах цилиндров появляется кольцевой износ в зоне верхнего поршневого кольца. Остальная поверхность зеркала при этом сохраняет размеры в пределах допуска. В данном случае гильза цилиндра диаметром 130 мм имела кольцевую выработку глубиной 220 мкм при ширине 25 мм. Использован технологический прием нанесения методом ЭИЛ толстослойного покрытия повышенной сплошности [3]: выполнено 4 цикла обработки с чередованием операций нанесения в зону износа покрытия бронзой БрКМц3-1 и осадки этого покрытия медным электродом. Применен 48‑й электрический режим установки «БИГ‑5» (энергия импульсов — 1,8 Дж, их длительность — 500 мкс и частота — 160 Гц). Суммарное время устранения дефекта составило 49 минут и последующим удалением припуска и выступающих неровностей путем хонингования ручным инструментом.

 

Рис. 5. Восстановленная в номинальный размер гильза цилиндра дизельного двигателя

Рис. 5. Восстановленная в номинальный размер гильза цилиндра дизельного двигателя

 

Приведенные примеры свидетельствуют о возможности значительного снижения трудоемкости и стоимости работ, связанных с восстановлением деталей машин методом ЭИЛ. В ряде случаев возможно исключение механической обработки после нанесения покрытия требуемой толщины.
Низкая энергоемкость электроискрового процесса, высокий коэффициент использования электродного материала, универсальность и экологичность метода являются хорошей базой для дальнейшего развития ЭИЛ и более широкого использования в ремонтном и промышленном производстве.

 

Это подтверждает и экономический анализ результатов использования метода ЭИЛ на разных предприятиях страны. Из опыта: грамотное использование его по назначению при 4–5 часовом режиме в сутки обеспечивает окупаемость затрат на приобретение оборудование и технологии в течение не более 5–6 месяцев.

 

Литература

1. Иванов В. И., Бурумкулов Ф. Х. Состояние и развитие электроискровых технологий и оборудования в России и за рубежом./ Труды ГОСНИТИ. Т. 109, часть 2. Москва, 2012. С. 127–139.
2. Иванов В. И. Классификация объектов, методологические и технологические особенности электроискрового упрочнения и увеличения ресурса / Труды ГОСНИТИ. Том 106. Москва, 2010. С. 31–41.
3. Иванов В. И., Бурумкулов Ф. Х. Об электроискровом способе нанесения толстослойных покрытий повышенной сплошности / Электронная обработка материалов. 2014. Т. 50. № 5. С. 7–10.
4. Бурумкулов Ф. Х., Лезин П. П., Сенин П. В. и др. Электроискровые технологии восстановления и упрочнения деталей машин и инструментов (теория и практика) / Под. ред. Ф. Х. Бурумкулова. — Саранск. Из-во «Крас. окт.», 2003. 504 с.

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 7-2019

 

 

 

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи
или пресс-релизы с ссылками и изображениями.
ritm@gardesmash.com

 

Реклама наших партнеров