Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
The perfection of the processes of plasma spraying, surfacing, and hardening of coatings in the manufacture and restoration of worn-out internal combustion engine parts is largely determined by their technological equipment. Technological equipment is presented, including that developed by the authors, which have advantages over traditional options.
plasma coatings, application, equipment, restoration, parts, shaft, cylinder liner, valve
Состояние и актуальность плазменного нанесения и упрочнения покрытий на деталях машин
Обеспечение надежности парка машин в эксплуатации реализуется проведением технического обслуживания и ремонтов, определяющими показатели ремонтопригодности и зависящими от соотношения использования новых и восстанавливаемых деталей. Неоптимальное количество запасных частей приводит к завышенным эксплуатационным расходам. Данная проблема усиливается в настоящее время возрастающей вероятностью роста дефицита на некоторые компоненты. Решение проблемы состоит в использовании восстановления для деталей, пригодных для этого, с количественной долей около 75 %, а для этого − в организации ремонтных подразделений по их восстановлению. Пригодными для восстановления являются детали с малым износом не более 1 мм, что не влияет на уменьшение прочности детали, но позволяет повысить износостойкость при заметно меньших затратах по сравнению с новыми деталями [1].
Процессы плазменного напыления, наплавки или их совмещения позволяют эффективно решить эту задачу с возможностью повышения износостойкости в 1,2-2 раза в сравнении с новыми деталями при сопоставимой стоимости [2-4]. Использование плазменного метода восстановления деталей является наиболее универсальным по удобству и широте термических и газодинамических параметров процессов для использования как для легкоплавких, так и для тугоплавких металлов и сплавов. Его эффективность актуальна для деталей ДВС, включая валы (коленчатые, распределительные), клапаны, гильзы цилиндров и др. Совершенствование самих процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий их динамизацией позволяет, в свою очередь, заметно повысить эффективность восстановления деталей [5, 6]. При повышенных эксплуатационных нагрузках и требованиях к надежности изделий нанесение покрытий может быть обеспечено с помощью совмещения с процессами вибро-, термо- и электромеханической обработки [7-13].
Технологическое обеспечение плазменного нанесения и упрочнения покрытий на детали ДВС
Технологическое обеспечение технологии плазменного напыления-наплавки покрытий закладывается в конструкторско-технологических решениях для конкретной номенклатуры деталей и производственных условий с целью их технико-экономической оптимизации.
Критерии оптимизации включают свойства покрытий и затраты на получение покрытий [14]. Для достижения этой цели необходима разработка перспективных конструкторско-технологических решений на основе проведения научно-исследовательских и опытно конструкторских и технологических работ [15]. Задел научно-технической разработки технологии должен включать проведение исследований, оценку реализуемости технологий и технологическую подготовку проектирования технологий. Результатом этого этапа является оснащение оборудованием и оснасткой для реализации разработанных технологий.
Технологическое оснащение плазменного нанесения и упрочнения покрытий
Оснащение оборудованием плазменного нанесения покрытий включает установки напыления и наплавки (табл. 1), электромеханической обработки, блок модуляции параметров (АС № 1774828 СССР, патенты РФ № 2480533, № 2211256). Специальное технологическое оснащение предназначено для обработки коленчатых, распределительных валов, цилиндров ДВС, клапанов ДВС [5, 9, 11]. Преимущества такого оснащения включают получение высококачественных покрытий, сокращение подготовительно-заключительного времени операций, универсальность и регулируемость. Актуальность такого оснащения важна, прежде всего, для мелкосерийного и единичного производства. Оснащение позволяет использовать гибридный процесс напыления-наплавки для нанесения покрытий на различные детали, в том числе, на клапаны, гильзы цилиндров без их демонтажа с помощью вращающегося плазмотрона. Универсальность приспособлений состоит в их пригодности для нанесения покрытий на ступицы колёс, чашки дифференциалов, места для подшипников ведущей шестерни главной передачи и ведущего вала коробки передач, подверженные износу поверхности заднего моста, тормозных цилиндров (дисков) и др.
В случае необходимости плазменное напыление-наплавка может быть совмещено с упрочнением покрытия как для новых, так и для восстанавливаемых деталей. Такая технология соответствует концепции эффективного ремонта, поскольку послеремонтная наработка деталей с нанесенным покрытием превышает доремонтную на 20-100 %. Разработанное специальное технологическое оборудование позволяет обеспечить требуемую надёжность и долговечность отремонтированных изделий.
В мелкосерийном производстве для восстановления шатунных шеек традиционно используются центросместители. Универсальное приспособление кривошипно-шатунного типа с набором роликов позволяет уменьшить время на подготовку к операции нанесения и на заключительные работы после неё за счет возможности однократного установа для всех шатунных и промежуточных коренных шеек (рис. 1). Одновременно оно позволяет осуществлять электромеханическую обработку и обкатку роликами с ультразвуковой обработкой при необходимости (патенты РФ № 2085301, № 2447951, № 129021) [16].
Таблица 1 − Техническая характеристика установки плазменного нанесения и упрочнения покрытий
Плазменные покрытия на кулачки распределительного вала наносят с помощью копирных устройств (рис. 2) [17]. При их использовании одинаковое расстояние при напылении от плазмотрона до поверхности напыляемого кулачка реализуют за счет использования технологического копира в виде двух кулачков такой же формы как и напыляемый кулачок, по поверхностям которых прокатывались технологические втулки 7 с общей осью-штангой 11, к которой, в свою очередь, через втулку 9 присоединен шток 6 плазмотрона. Однако такие устройства не позволяют регулировать угол напыления относительно напыляемой поверхности, что не позволяет обеспечить равнотолщинность покрытия и одинаковость его структуры на рабочей поверхности кулачка. Применение дополнительного приспособления с регулируемым угловым перемещателем плазмотрона позволит решить эту проблему.
Рисунок 1 – Схема устройства для напыления и обкатки покрытия шатунных шеек
коленчатого вала
Рисунок 2 – Схема устройства копирного типа плазменного нанесения покрытий на кулачки распределительного вала
Установка плазменной наплавки клапанов ДВС оснащена вращающейся опорой с охлаждением для наплавляемого клапана, специальным двухдуговым плазмотроном с косвенной и прямой дугами. Это позволит реализовать эффективный гибридный процесс наплавки-напыления на установке типа ОКС-1192производства ИЭС им. Е. В. Патона (рис. 3, 4) с возможностью колебательного движения плазмотрона типа плазмотрона ВСХИЗО (рис. 5). Современной установкой является установка компании НПФ «Плазмацентр» (рис. 6) [9, 19, 20].
Технологическое оснащение плазменного нанесения покрытий гильз цилиндров зависит от схемы процесса. При традиционной схеме изношенная поверхность цилиндра восстанавливается с использованием схемы вращающегося цилиндра. В этом случае восстанавливаемые цилиндры обязательно вынимаются из блока цилиндров. Во втором случае цилиндры расположены внутри блока цилиндров, и для их напыления применяется конструктивная схема напыления безгильзовых блоков. В этой схеме ось сопла-анода плазмотрона расположена под углом к основной оси плазмотрона и к напыляемой поверхности под углом 60-90 градусов (рис. 7-9). Подача плазмотрона вдоль оси цилиндра регулируется с помощью регулируемого перемещения прикрепленной к нему штанги, а вращение − с помощью поворотной головки плазмотрона и вращателем с зубчатыми передачами. Порошковый питатель в этой схеме также вращается и подаёт порошок к плазмотрону через корпус головки.
Рисунок 3 – Функциональная схема установки ОКС-1192
Рисунок 4 – Схема плазменной наплавки на фаску клапана ДВС
а б
1 – водяное охлаждение; 2 – подвод плазмообразующего газа; 3 – выходное сопло;
4 – подвод порошка; 5 – плазменная струя; 6 – плазменное покрытие
Рисунок 7 – Схема напыления на внутренние поверхности цилиндра вращающимся
плазмотроном (а) и схема многоструйного охлаждения цилиндра (б)
а – поворотная головка; б – плазмотрон
Рисунок 8 – Конструктивная схема поворотной головки с плазмотроном
Заключение
Совершенствование прогрессивной технологии плазменного напыления-наплавки покрытий, как для изготовления новых деталей, так и для их восстановления в значительной степени определяется технологическим оснащением для различных типов деталей и профиля их поверхностей, основные из которых были рассмотрены. Рассмотренные средства технологического оснащения содержат и разработки авторов, которые показывают их преимущества в сравнении с традиционными вариантами. Одним из направлений дальнейшего совершенствования плазменных технологий нанесения покрытий в открытой атмосфере, относится модуляций параметров процессов [6, 8, 10].
1. Vosstanovlenie avtomobil'nyh detaley : Tehnologiya i oborudovanie : ucheb. dlya vuzov / V. E. Kanarchuk, A. D. Chigirinec, O. L. Golyak, P. M. Shockiy. – M. : Transport, 1995. – 303 s.
2. Suhochev, G. A. Upravlenie kachestvom izdeliy, rabotayuschih v ekstremal'nyh usloviyah pri nestacionarnyh vozdeystviyah / G. A. Suhochev. – M. : Mashinostroenie, 2004. – 287 s.
3. Kadyrmetov, A. M. Osobennosti processa vozdushno-plazmennogo naneseniya i uprochneniya pokrytiy / A. M. Kadyrmetov, G. A. Suhochev // Uprochnyayuschie tehnologii i pokrytiya. 2009. № 4 (52). S. 25-28.
4. Sovremennye tehnologii plazmennyh i gazotermicheskih processov naneseniya pokrytiy v otkrytoy atmosfere / A. M. Kadyrmetov, Yu. E. Simonova, A. A. Plahotin, D. V. Kolmakov // Sovremennye materialy, tehnika i tehnologiya: sbornik nauchnyh statey 9-y Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii (28 dekabrya 2019 goda) / Yugo-Zap. gos. un-t.; v 2-h tomah. Tom 1. – Kurs : Yugo-Zap. gos.un-t, 2019. – S. 226-238.
5. Obzor voprosov effektivnosti plazmennogo napyleniya / A. M. Kadyrmetov, E. V. Snyatkov, A. S. Pustovalov, R. V. Mirzehanov // Voronezhskiy nauchno-tehnicheskiy vestnik. – 2016. – № 1 (15). – 14 s. – Bibliogr.: s. 12. Rezhim dostupa: https://yadi.sk/i/eU59k8OIsKSTQ.
6. Suhochev, G. A. Eksperimental'nye issledovaniya parametrov upravlyaemosti processa vozdushno-plazmennogo naneseniya i uprochneniya pokrytiy / G. A. Suhochev, A. M. Kadyrmetov // Uprochnyayuschie tehnologii i pokrytiya. – 2008. – № 11(47). – S. 53-56.
7. Struktura i mehanicheskie svoystva plazmennyh pokrytiy posle elektromehanicheskoy obrabotki / V. P. Bagmutov, V. I. Kalita, I. N. Zaharov, S. N. Parshev // Fizika i himiya obrabotki materialov. 2007. № 3. S. 22 28.
8. Tehnologicheskoe obespechenie kachestva naneseniya zaschitnyh pokrytiy kombinirovannoy obrabotkoy / G. A. Suhochev, O. N. Kirillov, A. M. Kadyrmetov i dr. // Uprochnyayuschie tehnologii i pokrytiya. 2010. № 8(68). S. 39-44.
9. Sosnin, N. A. Plazmennye tehnologii. Rukovodstvo dlya inzhenerov / N. A. Sosnin, S. A. Ermakov, P. A. Topolyanskiy. – SPb : Izd-vo Politehn. un-ta, 2008. 406 s.
10. Kadyrmetov, A. M. Oborudovanie dlya plazmennogo naneseniya i uprochneniya pokrytiy s modulyaciey elektricheskih parametrov / A. M. Kadyrmetov, D. I. Stanchev, G. A. Suhochev // Uprochnyayuschie tehnologii i pokrytiya. – 2010. – № 11 (71). – S. 41-48.
11. Patent № 2211256 RF, MPK 7 S 23 S 4/12. Sposob naneseniya pokrytiya / D. I. Stanchev, A. M. Kadyrmetov, V. N. Buhtoyarov, A. V. Vinokurov. – BI № 24. – 2003.
12. Kadyrmetov, A. M. Tehnologiya plazmennogo naneseniya i uprochneniya pokrytiy v resursosberegayuschih proizvodstvennyh processah / A. M. Kadyrmetov, D. I. Stanchev, G. A. Suhochev // Uprochnyayuschie tehnologii i pokrytiya. – 2010. – № 7(67). S. 29-36.
13. Perspektivy uprochneniya pokrytiy metodom plazmennogo napyleniya s odnovremennoy elektromehanicheskoy obrabotkoy / A. M. Kadyrmetov, V. O. Nikonov, V. N. Buhtoyarov i dr. // Stanochnyy park. – 2012. – № 6. – S. 58-60.
14. GOST R 50995.0.1-96. Tehnologicheskoe obespechenie sozdaniya produkcii. Osnovnye polozheniya
15. Voprosy tehnologicheskogo obespecheniya plazmennogo napyleniya i uprochneniya pokrytiy detaley mashin / O. M. Timohova, A. M. Kadyrmetov, E. V. Snyatkov, V. L. Mahonin // Voronezhskiy nauchno-tehnicheskiy vestnik. – 2017. – T. 4, № 4 (22). – S. 16-31. – Rezhim dostupa : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2017/4-22-2017/16-31.pdf.
16. Kadyrmetov, A. M. Manipulyatory, ispol'zuemye dlya plazmennogo napyleniya kolenchatyh valov / A. M. Kadyrmetov, V. N. Buhtoyarov, A. I. Venevcev // Energoeffektivnost' avtotransportnyh sredstv: nanotehnologii, informacionno-kommunikacionnye sistemy, al'ternativnye istochniki energii : materialy Vserossiyskoy nauchno-tehnicheskoy konferencii s mezhdunarodnym uchastiem 4-7 iyunya 2019 goda. – Voronezh, 2019. – S. 40-44.
17. Kadyrmetov, A. M. Vosstanovlenie i uprochnenie slozhnoprofil'nyh poverhnostey / A. M. Kadyrmetov, R. V. Mirzehanov, V. N. Buhtoyarov // Voronezhskiy nauchno-tehnicheskiy vestnik. – 2018. – T. 1, № 1 (23). – S. 4-8. – Rezhim dostupa : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2018/1-1-23-2018/4-8.pdf.
18. Vosstanovlenie klapanov dvigateley vnutrennego sgoraniya plazmennoy naplavkoy i napyleniem s modulyaciey parametrov / O. M. Timohova, A. M. Kadyrmetov, E. V. Snyatkov, V. V. Romanov // Voronezhskiy nauchno-tehnicheskiy vestnik. – 2018. – T. 1, № 1 (23). – S. 53-67. – Rezhim dostupa : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2018/1-1-23-2018/53-67.pdf .
19. Novoe pokolenie ustanovok dlya poroshkovoy plazmennoy naplavki-napyleniya (process RTA) / P. A. Topolyanskiy, S. A. Ermakov, A. Yu. Smirnov, N. A. Sosnin / Tehnologii remonta, vosstanovleniya i uprochneniya detaley mashin, mehanizmov, oborudovaniya, instrumenta i tehnologicheskoy osnastki : Materialy 5-y Mezhdunar. prakt. konferencii-vystavki, prohodivshey 8-10 aprelya 2003 g. – SPb. : Izd-vo Politehn. un-ta, 2003 (Shifr stat'i R03-06).
20. Ustanovka dlya plazmennoy poroshkovoy naplavki – napyleniya klapanov (PTA-process) // Tehnologii remonta, vosstanovleniya i uprochneniya detaley mashin, mehanizmov, oborudovaniya, instrumenta i tehnologicheskoy osnastki : V 2 ch. – Ch. 2 : Materialy 9-y Mezhdunar. prakt. konf. – SPb. : Izd-vo Politehn. un-ta, 2007. – S. 391.
