Воронеж, Воронежская область, Россия
Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Россия
Россия
Россия
Совершенство процессов плазменного напыления, наплавки, упрочнения покрытий при изготовлении и восстановлении изношенных деталей ДВС в значительной степени определяются их технологическим оснащением. Представлены средства технологического оснащения, в том числе, разработанный авторами, имеющие преимущества в сравнении с традиционными вариантами.
плазменные покрытия, нанесение, оснащение, восстановление, детали, вал, гильза цилиндра, клапан
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. Восстановление автомобильных деталей : Технология и оборудование : учеб. для вузов / В. Е. Канарчук, А. Д. Чигиринец, О. Л. Голяк, П. М. Шоцкий. – М. : Транспорт, 1995. – 303 с.
2. Сухочев, Г. А. Управление качеством изделий, работающих в экстремальных условиях при нестационарных воздействиях / Г. А. Сухочев. – М. : Машиностроение, 2004. – 287 с.
3. Кадырметов, А. М. Особенности процесса воздушно-плазменного нанесения и упрочнения покрытий / А. М. Кадырметов, Г. А. Сухочев // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. № 4 (52). С. 25-28.
4. Современные технологии плазменных и газотермических процессов нанесения покрытий в открытой атмосфере / А. М. Кадырметов, Ю. Э. Симонова, А. А. Плахотин, Д. В. Колмаков // Современные материалы, техника и технология: сборник научных статей 9-й Международной научно-практической конференции (28 декабря 2019 года) / Юго-Зап. гос. ун-т.; в 2-х томах. Том 1. – Курс : Юго-Зап. гос.ун-т, 2019. – С. 226-238.
5. Обзор вопросов эффективности плазменного напыления / А. М. Кадырметов, Е. В. Снятков, А. С. Пустовалов, Р. В. Мирзеханов // Воронежский научно-технический вестник. – 2016. – № 1 (15). – 14 с. – Библиогр.: с. 12. Режим доступа: https://yadi.sk/i/eU59k8OIsKSTQ.
6. Сухочев, Г. А. Экспериментальные исследования параметров управляемости процесса воздушно-плазменного нанесения и упрочнения покрытий / Г. А. Сухочев, А. М. Кадырметов // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2008. – № 11(47). – С. 53-56.
7. Структура и механические свойства плазменных покрытий после электромеханической обработки / В. П. Багмутов, В. И. Калита, И. Н. Захаров, С. Н. Паршев // Физика и химия обработки материалов. 2007. № 3. С. 22 28.
8. Технологическое обеспечение качества нанесения защитных покрытий комбинированной обработкой / Г. А. Сухочев, О. Н. Кириллов, А. М. Кадырметов и др. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2010. № 8(68). С. 39-44.
9. Соснин, Н. А. Плазменные технологии. Руководство для инженеров / Н. А. Соснин, С. А. Ермаков, П. А. Тополянский. – СПб : Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 406 с.
10. Кадырметов, А. М. Оборудование для плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров / А. М. Кадырметов, Д. И. Станчев, Г. А. Сухочев // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. – № 11 (71). – С. 41-48.
11. Патент № 2211256 РФ, МПК 7 С 23 С 4/12. Способ нанесения покрытия / Д. И. Станчев, А. М. Кадырметов, В. Н. Бухтояров, А. В. Винокуров. – БИ № 24. – 2003.
12. Кадырметов, А. М. Технология плазменного нанесения и упрочнения покрытий в ресурсосберегающих производственных процессах / А. М. Кадырметов, Д. И. Станчев, Г. А. Сухочев // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. – № 7(67). С. 29-36.
13. Перспективы упрочнения покрытий методом плазменного напыления с одновременной электромеханической обработкой / А. М. Кадырметов, В. О. Никонов, В. Н. Бухтояров и др. // Станочный парк. – 2012. – № 6. – С. 58-60.
14. ГОСТ Р 50995.0.1-96. Технологическое обеспечение создания продукции. Основные положения
15. Вопросы технологического обеспечения плазменного напыления и упрочнения покрытий деталей машин / О. М. Тимохова, А. М. Кадырметов, Е. В. Снятков, В. Л. Махонин // Воронежский научно-технический вестник. – 2017. – Т. 4, № 4 (22). – С. 16-31. – Режим доступа : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2017/4-22-2017/16-31.pdf.
16. Кадырметов, А. М. Манипуляторы, используемые для плазменного напыления коленчатых валов / А. М. Кадырметов, В. Н. Бухтояров, А. И. Веневцев // Энергоэффективность автотранспортных средств: нанотехнологии, информационно-коммуникационные системы, альтернативные источники энергии : материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием 4-7 июня 2019 года. – Воронеж, 2019. – С. 40-44.
17. Кадырметов, А. М. Восстановление и упрочнение сложнопрофильных поверхностей / А. М. Кадырметов, Р. В. Мирзеханов, В. Н. Бухтояров // Воронежский научно-технический вестник. – 2018. – Т. 1, № 1 (23). – С. 4-8. – Режим доступа : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2018/1-1-23-2018/4-8.pdf.
18. Восстановление клапанов двигателей внутреннего сгорания плазменной наплавкой и напылением с модуляцией параметров / О. М. Тимохова, А. М. Кадырметов, Е. В. Снятков, В. В. Романов // Воронежский научно-технический вестник. – 2018. – Т. 1, № 1 (23). – С. 53-67. – Режим доступа : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2018/1-1-23-2018/53-67.pdf .
19. Новое поколение установок для порошковой плазменной наплавки-напыления (процесс РТА) / П. А. Тополянский, С. А. Ермаков, А. Ю. Смирнов, Н. А. Соснин / Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки : Материалы 5-й Междунар. практ. конференции-выставки, проходившей 8-10 апреля 2003 г. – СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2003 (Шифр статьи R03-06).
20. Установка для плазменной порошковой наплавки – напыления клапанов (PTA-процесс) // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки : В 2 ч. – Ч. 2 : Материалы 9-й Междунар. практ. конф. – СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2007. – С. 391.
