Конструкторско-технологическая подготовка производства

На конструкторские разработки установочно-зажимных приспособлений была поставлена задача - разработать схему кулачка с пневмомеханическим зажимом для крупногабаритных станков. Данные кулачки могут применяться для закрепления детали на токарных и изредка на шлифовальных станках. Для установки детали на токарном станке в компоновке приспособления применимы:

- токарный 3-х кулачковый патрон с пневмомеханическими кулачками;

- центр упорный ГОСТ 13214-79;

- центр вращающийся ГОСТ 8742-76;

- люнет (если есть операция подрезки торцев детали).

Целью разработки является: разработать приспособление, в частности кулачок, с более высокой силой закрепления. Пневмомеханика позволяет увеличивать силу закрепления, что является достаточно существенным увеличением силы закрепления. Увеличение силы закрепления для обработки крупногабаритных заготовок необходимо в связи с применением высоких режимов резания, высоких скоростей вращения детали (на станках с ЧПУ) и т.д.

На рисунке 11.1 приведена схема самого пневмомеханического кулачка.

Описание работы кулачка: воздухоприемное кольцо I неподвижно закреплено через промежуточное кольцо на торце бабки станка, а корпус 2 патрона центрируется на фланце шпинделя и закрепляется гайками с помощью поворотной шайбы. С правой стороны корпус-цилиндр закрыт крышкой 4, в которой имеются обычные радиальные пазы под кулачки 5. На ступице поршня 3 образованы три продольных паза, расположенных относительно друг друга под углом 120° и наклоненных по отношению к оси на 15°. В эти пазы заходят концы кулачков, образуя несамотормозящие клиновые соединения. При линейном перемещении поршня сцепленные с его пазами кулачки совершают перемещения в радиальном направлении, зажимая или освобождая обрабатываемую деталь. В этой части конструкция патрона аналогична конструкции клинового патрона.

Сжатый воздух через штуцер подводится к невращающемуся воздухоприемнику 1, заполняет кольцевой паз А и далее через отверстия в резиновом уплотнительном кольце 7 и отверстия Б в корпусе 2 поступает в левую полость цилиндра; кулачки при этом расходятся.

При переключении распределительного крана воздух из цилиндра уходит в атмосферу, а поршень под действием сильных пружин 6 возвращается в исходное положение; кулачки перемещаются к центру и зажимают изделие. Стабильность зажима на все время обработки обеспечивается упругостью пружин.

Рисунок 11.1 - Трёхкулачковый пружинно-клиновой патрон со встроенным пневмоцилиндром одностороннего действия.



11.2 Конструкторские разработки контрольных приспособлений

На конструкторские разработки установочно-зажимных приспособлений была поставлена задача - разработать схему приспособления по контролю параметров зубчатого колеса.

Приборы для технологического контроля используют в цеховых условиях для контроля изделий и наладки зубообрабатывающего оборудования. Типы, основные параметры и нормы точности приборов для измерения цилиндрических зубчатых колес регламентированы ГОСТом 5368 - 81, ГОСТом 8137 - 81, ГОСТом 10387 - 81 и др.

Кинематическую погрешность зубчатых колес 1 и 6 в однопрофильном зацеплении Fir контролируют, например, на приборах со стеклянными лимбами 2 и 5, имеющими радиальные штрихи с ценой деления 2 (схема I на рисунке 11.2.). Перемещение штрихов вызывает импульсы тока в фотодиодах. Сдвиг фаз импульсов, вызванный кинематической погрешностью в зубчатой паре и несогласованностью вращения зубчатых колес, определяется фазометром 3 и записывается самописцем 4.

Относительно просты приборы для измерений колебаний межцентрового расстояния F"ir за оборот в двухпрофильном зацеплении (схема II на рисунке 11.2.). Эти приборы имеют оправки 4 и 5, на которые насаживают контролируемое 6 и образцовое 3 зубчатые колеса. Оправка 5 расположена на неподвижной каретке 7, положение которой может изменяться лишь при настройке на требуемое межцентровое расстояние. Оправка 4 расположена на подвижной каретке 2, которая поджимается пружиной так, что зубчатая пара 3 - 6 находится всегда в плотном соприкосновении по обеим сторонам профилей зубьев. При вращении зубчатой пары вследствие неточностей ее изготовления измерительное межосевое расстояние изменяется, что фиксируется отсчетным или регистрирующим прибором 1.

Накопленную погрешность шага и k шагов можно контролировать на приборе (схема III на рисунке 11.2), в котором при непрерывном вращении зубчатого колеса 5 в электронный блок 2 поступают импульсы от кругового фотоэлекрического преобразователя 4, установленного на одной оси с измерительным колесом, и от линейного фотоэлектрического преобразователя 1, выдающего командный импульс при заданном положении зуба (при максимуме отраженного потока). При появлении командного импульса самописец 3 фиксирует ординату погрешностей шага колеса.

Радиальное биение зубчатого венца Frr колеса 1 контролируют на биениемерах (схема IV на рисунке 11.2), имеющих модульные профильные наконечники 2 с углом конуса 40° для контроля наружных зубчатых колес (для контроля внутренних зубчатых колес наконечники имеют сферическую форму). Разность положений наконечников, определяемая с помощью каретки 4 и индикатора 3, характеризует биение зубчатого венца.

Рисунок 11.2 - Приборы для контроля биений

Колебание длины общей нормали L - FvWr контролируют на приборах, имеющих два наконечника с параллельными плоскостями и в зависимости от требуемой точности отсчетное нониусное, микрометрическое 2 или индикаторное устройство. Нормалемеры микрометрические (схема V на рисунке 11.2) имеют тарельчатые измерительные наконечники, вводимые во впадины зубьев колеса 1. Особенностью контроля длины общей нормали является отсутствие необходимости базирования колеса по его оси.

Погрешность обката Fcr обычно выявляют на кинематомерах, позволяющих установить несогласованность движения режущего инструмента (фрезы) и заготовки зубчатого колеса (стола станка) при зубообразовании. Так, на зубофрезерных станках (схема VI на рисунке 11.2) преобразователь 1 выдает импульсы, характеризующие угловое положение стола станка, а преобразователь 2 -- импульсы, характеризующие положение шпинделя. Блок 3 служит для приведения масштаба импульсов высокоскоростного звена 2 к масштабу тихоходного звена 1 станка. После сравнения импульсов в устройстве 4 разность фаз, пропорциональная погрешности углового положения шпинделя относительно стола станка, регистрируется самописцем 5.

Плавность работы зубчатых колес можно выявлять при контроле местной кинематической погрешности, циклической погрешности колеса и передачи на приборах для измерения кинематической точности, в частности путем определения ее гармонических составляющих на автоматических анализаторах. С помощью поэлементных методов контролируют шаг зацепления, погрешность профиля и отклонения шага. Шаг зацепления fpbr контролируют с помощью накладных шагомеров (схема I на рисунке 11.2), снабженных тангенциальными наконечниками 2 и 3 и дополнительным (поддерживающим) наконечником 1. Измерительный наконечник 3 подвешен на плоских пружинах. При контроле зубчатого венца перемещение измерительного наконечника фиксируется встроенным отсчетным устройством 4. При настройке положение наконечников 1 и 2 можно менять с помощью винтов 5.

Погрешность профиля ffr выявляют на эвольвентомерах, сопоставляя теоретическую эвольвенту, воспроизводимую прибором, с реальной эвольвентой контролируемого зуба. В приборе типа БВ-5062 (схема II на рисунке 11.2) теоретическая эвольвента воспроизводится образцовым сектором 1, расположенным на одной оси с контролируемым колесом. В качестве линейки обката служит каретка 3, которая связана с сектором с помощью охватывающей его ленты 2. Радиус основной окружности меняют при настройке путем изменения положения упора 4, находящегося на измерительной каретке 5. Микроскоп 6 служит для настройки прибора на требуемый радиус основной окружности.

Для измерения отклонений шага fptr от среднего значения по колесу используют накладные приборы (схема III на рисунке 11.2), с помощью которых шаг Рt определяют как расстояние между базовым 2 и измерительным 3 наконечниками. На измеряемом колесе 4 прибор устанавливают по упорным наконечникам 1 и 5. При измерении сравнивают значения всех шагов с первоначальным шагом, отсчитываемым по шкале головки 6.

Рисунок 11.2 - Приборы для контроля плавности работы



Полнота контакта. Размеры пятна контакта определяют либо по следам приработки после некоторого периода работы передачи на контрольно-обкатных станках и приспособлениях, либо по следам краски, оставившей отпечаток на парном колесе. С помощью поэлементных методов измеряют осевой шаг по нормали, отклонение направления зуба, погрешность формы и расположения контактной линии и др. Так, на приборе БВ-5028 (схема I на рисунке 11.2) можно контролировать несколько параметров зубчатых колес -- отклонения контактной линии Fkr, осевого шага Fpxnr и погрешности шага. Каретка с измерительным наконечником 1, предварительно установленным на угол наклона контактной линии, перемещается по направляющей 3. При согласованном движении каретки и вращении контролируемого зубчатого колеса 2 наконечник 1 воспринимает непрямолинейность и отклонения от направления этой линии, которые фиксируются самописцем. Отклонение осевого шага воспринимается измерительным наконечником тогда, когда последний перпендикулярен винтовой линии. конструктор маркетинговый сертификация машиностроение

Поворот зубчатого колеса на осевой шаг осуществляют с помощью микроскопа с оптическим диском. При измерении отклонений от направления зуба Fr прямозубых колес на приборах, у которых существует каретка с точными продольными направляющими, измерительный наконечник перемещают вдоль оси измеряемого колеса. При контроле косозубых колес винтовую линию, воспроизводимую в приборе в результате поворота колеса и продольного перемещения измерительного узла или, как в ходомере БВ-5034 (схема II на рисунке 11.2), продольного перемещения стола 1 вместе с проверяемым колесом 4, сравнивают с реальной эвольвентой. Согласованность поступательного и вращательного движений колеса обеспечивают с помощью наклонной линейки и охватывающих шпиндель 3 лент, концы которых закреплены на поперечной каретке 2.



Рисунок 11.2 - Приборы для контроля полноты контакта

Измерительный узел 5, установленный на станине, можно настраивать на необходимые параметры зубчатого колеса. Микроскоп 6 позволяет осуществлять точную установку линейки 7 на заданный угол. Боковой зазор между неработающими профилями зубьев в собранной передаче можно контролировать с помощью набора щупов, c помощью заложенной между зубьями свинцовой проволочки или методом люфтования. В последнем случае одно из зубчатых колес медленно вращается, а второе при этом совершает высокочастотные колебания, амплитуда которых характеризует боковой зазор. В реальном зубчатом колесе боковой зазор образуется в результате утонения зуба при смещении исходного режущего контура ЕHr на зуб колеса. Это смещение измеряют на тангенциальных зубомерах (схема I на рисунке 11.2), имеющих два базовых щупа 1 и 2, измерительный наконечник 3 и показывающий прибор 4. Перед измерением зубомер настраивают на заданный модуль по ролику расчетного диаметра.

С помощью тангенциальных зубомеров контролируют, по существу, положение постоянной хорды а - а относительно линии выступов b - b, а с помощью кромочных зубомеров измеряют толщину зуба S (параметр Ecr) на заданном расстоянии h от линии выступов (схема II на рисунке 11.2.4). Эти зубомеры имеют нониусные, микрометрические или индикаторные отсчетные устройства. В нониусных штангензубомерах требуемое положение постоянной хорды, т. е. координирующей губки 4, устанавливают с помощью нониусной пары

1 - 2, а измерения хорды осуществляют с помощью нониусной пары 7 - 6 путем введения измерительных наконечников 3 и 5 во впадины зубчатого венца.

Рисунок 11.2 - Приборы для контроля бокового зазора

Существуют различные приборы для контроля цилиндрических, конических, червячных, червяков и прочих колес станкового и накладного типов, разделяемых по классам точности на три группы: А, АВ и В. Интенсивно разрабатываются полуавтоматические и автоматические приборы, в том числе приборы активного контроля, использующие экранную оптику, цифровой отсчет, запись результатов измерения, машинную обработку результатов, управление производственным процессом и т. п.

11.3 Средства автоматизации по проектируемым технологическим процессам

Необходимо стремится автоматизировать работу приспособлений для повышения производительности, облегчения труда и высвобождения обслуживающих рабочих. При полной автоматизации приспособления и цикла обработки технологическая операция может выполняться без участия рабочего. Он должен лишь своевременно загружать магазин и следить за работой станка и приспособления.

Применение автоматизированных приспособлений позволяет автоматизировать технологические процессы, используя универсальные станки и «превращая » их в полуавтоматы и автоматы. Однако, нужно иметь дополнительно управляющие и транспортирующие устройства.

При конструировании автоматизированных станочных приспособлений особое внимание должно быть обращено на удаление стружки (например с помощью конвейеров и т.д.). Мелкую стружку необходимо удалять из труднодоступных мест струей сжатого воздуха. В других случаях стружку удаляют механически скребками или щетками.

В автоматизированных приспособлениях необходимо исключить возможность неправильной установки заготовки. Для этого необходимо применять блокировочные габариты. При неправильном положении заготовки станок останавливается и обработка прекращается.



12. Изучение оборудования оснащенного системами ЧПУ

Одним из главных направлений автоматизации процессов механической обработки заготовок мелкосерийного и серийного машиностроения является применение станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Под числовым программным управлением (ЧПУ) (ГОСТ 20523--80) понимается управление обработкой заготовкой на станке по управляющей программе, в которой данные приведены в цифровой форме. При этом управляющая программа представляет собой совокупность команд на языке программирования, соответствующих заданному алгоритму функционирования станка по обработке конкретной детали.

Станки с ЧПУ представляют собой полуавтоматы или автоматы, все подвижные органы которых совершают рабочие и вспомогательные движения автоматически по заранее установленной программе, записанной на бумажной перфорированной (иногда на магнитной) ленте или диске.

Эффективность применения станков с ЧПУ выражается:

а) в повышении точности и однородности размеров и формы обрабатываемых заготовок, полностью определяемых правильностью программирования и точностью автоматических перемещений соответствующих узлов стайка; это особенно важно при обработке конструктивно-сложных заготовок, имеющих точные фасонные поверхности и большое число выдерживаемых размеров;

б) в повышении производительности обработки, связанной с уменьшением доли вспомогательного времени с 70--80 % для обычных станков с ручным управлением до 40--50 % (при использовании обрабатывающих центров до 20-- 30 %), а в некоторых случаях и с интенсификацией режимов резания; в среднем при переводе обработки па станки с ЧПУ производительность возрастает: для токарных станков -- в два-три раза, для фрезерных -- в три-четыре раза и для обрабатывающих центров (OI.I,) -- в пять-шесть раз;

в) в снижении себестоимости обработки, связанном с повышением производительности, понижением требовании К квалификации станочника, а в ОП и в снижении затрат на приспособления, потребность в которых (в связи с обработкой заготовок с одного установа) значительно уменьшается;

г) в значительном снижении потребности к высококвалифицированных станочниках, связанном с упрощением изготовления сложных и точных заготовок на настроенных и автоматически работающих станках с ЧПУ, а также с применением их многостаночного обслуживания; в современных условиях острого дефицита высококвалифицированных рабочих-станочников на машиностроительных предприятиях расширение применения станков с ЧПУ способствует решению крупной народнохозяйственной проблемы дальнейшего развития промышленности.

Применение станков с ЧПУ в промышленности страны развивается в двух направлениях:

Первое направление -- обработка очень сложных заготовок уникальных деталей, имеющих сложную конфигурацию и различные фасонные поверхности, изготовление которых на традиционных станках невозможно или требует больших затрат времени и труда, и том числе высококвалифицированного или тяжелого физического труда (турбинные лопатки, роторы, фасонные поверхности гребных винтов, рабочих колес гидротурбин и т. п.). Целесообразность применения станков с ЧПУ в подобных случаях бесспорна и не требует особых доказательств.

Второе направление -- обработка заготовок обычных машиностроительных деталей с точностью IT6---1Т8 и шероховатостью Rа = (3ч10) мкм

Современные системы ЧПУ позволяют изменять режимы резания в процессе обработки заготовок внутри отдельных переходов. Это создает принципиально новые возможности оптимизации процессов обработки сложных фасонных поверхностей посредством назначения наиболее рациональных режимов обработки отдельных участков поверхностей,обеспечивая их высокое качество и снижение затрат машинного времени на 20--25 %.

Наличие на современных станках с ЧПУ систем, позволяющих производить ручное редактирование программ непосредственно с пульта станка, существенно упрощает и ускоряет трудоемкий процесс отработки новых программ.

При установке современных систем ЧПУ и управления приводами достигаются следующие преимущества:

· повышение надежности работы станка;

· выпуск деталей с заданными точностными параметрами;

· повышение производительности и удобства работы;

· расширение технологических возможностей для работы современным режущим инструментом;

· улучшение ремонтопригодности;

· возможность диагностики, составления и установки управляющих программ с удаленного компьютера;

· возможность включения станка в единую компьютерную сеть для контроля его загрузки и простоев;

· обеспечивают высокоскоростную обработку;

· однородную структуру для эксплуатации, программирования и визуализации процесса обработки.

Преимущества технологий для ЧПУ постоянно растут. Они связаны с увеличением "открытости" программ, развитием средств передачи информации и возможностью интеграции с другими инструментами, в том числе и от сторонних производителей.

Одной из распространенных систем для станков с ЧПУ (которая применяется на базовом предприятии) является Siemens Sinumerik 840D.

Siemens Sinumerik 840D - это автоматизированная численная система для управления 20-коорди-натной приводной системой Sinamics S120. Контроллер Sinumerik построен на основе открытого программного обеспечения и оборудования, он предназначен для создания распределенной автоматизированной системы управления с программируемыми логическими схемами ввода/ вывода и приводами как с участием компьютера, так и без него. Sinumerik разработан для механических, модернизированных, специализированных станков и робототехнических систем. Система отличается возможностью простой передачи данных по интерфейсам USB, Ethernet, программного обеспечения и приложений стандартного персонального компьютера.



13. Подбор и анализ спецчасти курсового проекта

«Анализ технологических условий и эксплуатационного применения наплавляемых поверхностей тел вращения»

13.1 Способы наплавки

Из числа разнообразных способов сварки, имеющих промышленное применение, для наплавки используют только сварку плавлением, удовлетворяющую перечисленным требованиям: 1) обеспечение неглубокого и равномерного проплавления основного металла; 2) образование ровного валика с хорошим внешним видом; 3) отсутствие склонности к возникновению дефектов: несплавлений в местах перекрытия соседних валиков, застреваний шлака в наплавленном металле, подрезов, пор и трещин; 4) высокая технологичность процесса, малая чувствительность к состоянию поверхности и форме наплавляемой поверхности детали; 5) высокая скорость процесса.

С целью повышения производительности и уменьшения глубины проплавления основного металла применяют ряд перечисленных ниже технологических приемов, используемых как при обычной сварке плавлением, так и при наплавке. К этим приемам относятся многоэлектродная сварка (наплавка), использование подогрева наплавочной электродной проволоки электросопротивлением, применение присадочных материалов и поперечных колебаний электрода.

1. Многоэлектродную наплавку выполняют несколькими электродами, что повышает производительность процесса за счет увеличения поступления металла в наплавляемый слой.

Варианты многоэлектродной наплавки:



При наплавке широко применяют многоэлектродные головки, получающие питание от нескольких источников. Многоэлектродную наплавку обычно осуществляют под флюсом или в среде различных защитных газов.

2. Нагрев наплавочной электродной проволоки теплотой электросопротивления за счет увеличения вылета электрода способствует повышению скорости подачи электродного наплавочного материала и уменьшению глубины проплавления основного металла.

3. Применение присадочных материалов в виде прутков, проволоки или порошка наплавляемого металла увеличивает поступление их в наплавленный слой, способствует уменьшению глубины проплавления основного металла. Этот технологический прием можно использовать также для введения дополнительных легирующих элементов в наплавленный металл. Указанный способ применяют главным образом при наплавке вольфрамовым неплавящимся электродом в среде инертного газа.

4. Поперечные колебания электрода, осуществляемые перпендикулярно направлению перемещения головки, способствуют образованию ровного широкого валика при малой глубине проплавления основного металла. При сварке обычно используют колебания малой амплитуды при большой частоте, а при наплавке - колебания большой амплитуды при малой частоте.



13.1.1 Газовая наплавка

Газовая наплавка - один из способов сварки плавлением, протекающей в условиях частичного оплавления основного металла при использовании высокотемпературного пламени, получаемого при сжигании смеси горючего газа с кислородом. Горючий газ, используемый при газовой наплавке, должен удовлетворять следующим трем требованиям: 1) высокая температура пламени при сгорании; 2) высокая скорость горения; 3) высокая теплота сгорания. Ацетилено-кислородное пламя, обеспечивающее нагрев до высоких температур, наиболее приемлемо для газовой наплавки (или сварки), поэтому само понятие газовой сварки обычно ассоциируется именно со сваркой этим пламенем.

При наплавке, в отличие от сварки, желательна малая глубина проплавления основного металла, поэтому наплавку выполняют способом скоростной сварки (способом Линда). При сварке (наплавке) таким способом используют горелку с соплом большого диаметра, нагревая основной металл науглероживающим пламенем. На рисунке 13.1, б показан способ сварки Линда. При сварке с использованием горючей смеси, обогащенной ацетиленом, на поверхности металла оседают частицы восстановленного углерода, образуя тонкий науглероженный слой толщиной ~0,02 мм. Вследствие снижения точки плавления металла науглероженного слоя происходит расплавление только в тонком поверхностном слое. Возникновение этого явления, называемого запотеванием, свидетельствует о готовности основного металла к газовой наплавке. Запотевание основного металла в сочетании с применением присадочного материала создает особо благоприятное условие для газовой наплавки с незначительным проплавлением основного металла. Появление запотевания позволяет также определить момент нагрева до температуры наплавки и точнее выбрать время подачи наплавочного - материала.



Рисунок 13 - Схема дуговой сварки (наплавки) стали:

а -- нормальное пламя; б -- науглероживающее пламя (с избытком ацетилена); 1 -- сечение по А--А; 2-- присадочный материал; 3-- нормальное пламя; 4 -- направление сварки; 5 -- науглероживающее пламя; 6 -- оксиды, попадающие в наплавленный металл; 7 -- выпуклый мениск; 8 -- поверхностная оксидная пленка; 9 -- вогнутый мениск; 10 -- высокоуглеродистый шлак (выполняет роль флюса); 11-- подвергаемый плавлению основной металл; 12 -- наплавленный металл (сплав основного и присадочного металлов); 13 -- закристаллизовавшийся наплавленный металл; 14 -- плавящийся шлак; 15 -- плавящийся присадочный материал

Вместе с тем науглероживание поверхности при наплавке этим способом вызывает повышение содержания углерода в наплавленном металле, что оказывает неблагоприятное влияние на его механические свойства и коррозионную стойкость. В связи с этим в настоящее время рассмотренный способ применяют только при наплавке высокохромистого сплава на основе железа, стеллита и других высокоуглеродистых наплавочных материалов, тогда как при нанесении покрытий из коррозионно-стойкой стали, для которой науглероживание противопоказано, применяют стробы дуговой наплавки плавящимся и вольфрамовым электродами в среде инертного газа.

Газовая наплавка обеспечивает следующие преимущества: 1) незначительное проплавление основного металла; 2) возможность наплавки мелких деталей сложной формы; 3) уменьшение опасности возникновения трещин, поскольку процесс, наплавки включает предварительный подогрев и последующее замедленное охлаждение изделия; 4) низкая стоимость сварочного оборудования.

Вместе с тем для газовой наплавки характерны и недостатки: 1. Низкая производительность при наплавке массивных деталей, требующих продолжительного предварительного подогрева; 2. Высокая квалификация сварщика.

Газовую наплавку в настоящее время применяют только в специальных областях (при изготовлении клапанов высокотемпературных систем высокого давления, двигателей внутреннего сгорания и т. д. Вместе с тем при наплавке мелких деталей одинаковой формы возможна автоматизация такого процесса путем внедрения специализированных машин, применение которых обеспечивает резкое повышение производительности и устраняет необходимость в квалифицированном ручном труде.

13.1.2 Дуговая наплавка покрытыми электродами

Наплавку этим способом, основанным на использовании электродов в виде стержней с покрытием, осуществляют обычно вручную, поэтому такой способ называют также ручной дуговой наплавкой.

Электродное покрытие служит для защиты ванны жидкого металла от кислорода и азота воздуха, стабилизации дуги, повышения технологичности процесса наплавки и введения легирующих элементов в состав наплавленного металла. Применяют следующие виды электродного покрытия: ильменитное, содержащее более 30% ильменита (FeO-TiO2); высокоцеллюлозное с содержанием 20-- 30% целлюлозы; карбонатно-рутиловое; основное (фтористо-кальциевое), основными компонентами которого являются карбонат кальция и флюорит (плавиковый шпат) при минимальном содержании влаги; высокорутиловое с содержанием до 35% TiO2; покрытие системы железный порошок -- рутил с высоким содержанием первого компонента; порошковое основное, содержащее железный порошок; покрытие системы железный порошок -- оксид железа; некоторые специальные покрытия, содержащие, в частности, графит. Широкое применение в практике дуговой наплавки имеют покрытия карбонатно-рутиловое, основное и высокорутиловое. В состав электродного покрытия вводят также шлакообразующие и газообразующие компоненты, раскислители, стабилизирующие и легирующие добавки.

Дуговая наплавка покрытыми электродами отличается низкой стоимостью оборудования, возможностью выполнения наплавки вручную, что обеспечивает этому способу самое широкое применение для наплавки не только черных, но и цветных металлов.

Ручная наплавка уступает автоматическим и полуавтоматическим способам по скорости выполнения процесса, однако она имеет ряд преимуществ, обеспечивающих ей наиболее широкое распространение среди всех известных способов наплавки черных и цветных металлов: 1) возможность наплавки изделии сложной формы; 2) возможность выбора наплавочного материала, наиболее пригодного для конкретного назначения, из широкого ассортимента покрытых наплавочных электродов; 3) транспортабельность оборудования, позволяющая выполнять наплавку в полевых условиях.

13.1.3 Дуговая наплавка пол флюсом

Преимущества и недостатки дуговой наплавки под флюсом. Название этого способа связано с тем, что дуга при наплавке электродными материалами (проволокой, лентой и др.) скрыта под слоем гранулированного флюса, предварительно насыпаемого на поверхность основного металла.

Возможность наплавки при большой силе тока и высокой погонной энергии обеспечивает этому способу высокую производительность при хорошем качестве наплавляемого металла, и благодаря этому данный способ занимает господствующее положение в области автоматической наплавки. Дуговая наплавка под флюсом имеет следующие преимущества:

1) высокая производительность процесса при наплавке изделий простой формы с большой площадью наплавляемой поверхности; 2) простота осуществления процесса, не требующего высокой квалификации сварщика; 3) возможность получения хорошего внешнего вида валика; 4) хорошие условия труда, связанные с отсутствием разбрызгивания электродного металла (поскольку дуга скрыта под слоем флюса).

Вместе с тем этому способу наплавки присущи следующие недостатки: 1) более высокая стоимость оборудования, чем для ручной дуговой наплавки покрытыми электродами; 2) непригодность для наплавки мелких изделий сложной формы.

Наплавка электродной проволокой под флюсом может быть осуществлена во многих: вариантах с использованием наплавочной проволоки разнообразного состава и различных флюсов. При наплавке этим способом в полную меру используют названные выше технологические приемы повышения производительности, включая применение многоэлектродных сварочных головок, нагрев наплавочной проволоки электросопротивлением и применение присадочных материалов.

Многоэлектродную наплавку осуществляют обычно способом, при котором дуга возникает между двумя электродами. Преимущество этого способа связано с косвенным дуговым нагревом основного металла, обеспечивающим небольшое его проплавление в сочетании с высокой скоростью плавления электродной проволоки.

Использование нагрева проволоки электросопротивлением при дуговой наплавке под флюсом характеризуется тем, что увеличение вылета электродной проволоки (рисунки 13.1 и 13.2) сопровождается повышением скорости наплавки и снижением степени влияния основного металла на состав наплавленного слоя. Значительное увеличение производительности наплавки, получение широкого валика наплавленного металла при малой глубине проплавления основного металла достигаются посредством дополнительной подачи присадочного порошкового материала в сочетании с колебанием электродной проволоки перпендикулярно направлению наплавки. При этом равномерная дозированная засыпка присадочного порошка на наплавляемую поверхность основного металла согласуется со скоростью подачи проволоки.

При обычной одноэлектродной наплавке под флюсом во избежание чрезмерного проплавления основного металла необходимо применение следующих мер: 1) тщательный выбор наплавочного материала с учетом влияния основного металла на состав наплавленного слоя; 2) ограничение глубины проплавления путем более плотной укладки наплавляемых валиков; 3) обеспечение должной толщины наплавленного слоя за счет многослойной наплавки.

Рисунок 13.1 - Зависимость скорости v плавления электродной проволоки и производительности V наплавки от длины l вылета электродной проволоки и силы тока (наплавка переменным током с использованием проволоки Ф 4 мм, скорость наплавки 50 см/мин)



Рисунок 13.2 - Зависимость между длиной вылета электрода и долей участия P0 основного металла в составе наплавленного слоя

Наплавка электродной лентой под флюсом. В 50-х годах в СССР был разработан способ наплавки ленточным электродом, согласно которому дуговую наплавку под флюсом, как показано на рисунке 13.2, осуществляют с помощью электрода в виде широкой стальной ленты, располагаемого в процессе наплавки практически под прямым углом к основному металлу. Наплавка ленточным электродом обладает следующими преимуществами: 1) получение плоского валика наплавленного металла, достаточно большой ширины (примерно равной ширине ленточного электрода); 2) возможность наплавки слоя требуемой толщины за один-два прохода, что обусловлено малой глубиной проплавления основного металла и в связи с этим незначительным влиянием его на состав наплавленного слоя (доля разбавления составляет 10--20%); 3) высокая производительность в связи с возможностью наплавки с высокой скоростью при большой силе тока.

Рассматриваемый способ получил быстрое развитие и нашел широкое применение для наплавки коррозионно-стойкой стали, сплава «инконель» и других коррозионно-стойких наплавочных материалов.

Производительность способа может быть еще более повышена, в частности путем увеличения ширины ленточного электрода и применения многоэлектродных головок.

На практике используют ленточные электроды шириной до 180 мм, однако при наплавке постоянным током увеличение размеров наплавочной ванны сопровождается нарушением формы наплавляемого валика под действием магнитного дутья. В поиске путей решения этой проблемы предложен способ наплавки в магнитном поле.

Рисунок 13.3 - Схема процесса наплавки ленточным электродом под флюсом:

1 -- источник питания; 2 -- ленточный электрод; 3 -- ролики подачи электрода; 4 -- мундштук (токоподвод); 5 -- флюс; 6 -- шлак; 7 --наплавленный металл; 8 -- основной металл; 9 --направление наплавки

13.1.4 Наплавка открытой дугой

Наплавка без защитной среды, в среде воздуха, осуществляется проволокой сплошного сечения или порошковой проволокой при отсутствии подачи флюса или защитного газа в зону дуги. Наплавка проволокой сплошного сечения сопряжена с большими практическими трудностями и уступает способу наплавки порошковой проволокой с флюсовой сердцевиной. (Вместе с тем следует отметить, что для выполнения покрытий из высокохромистого сплава на основе железа предпочтительно использование для наплавки проволоки сплошного сечения из высокохромистого сплава, если только существует технологическая возможность производства такой проволоки металлургическим переделом.)

Наплавка открытой дугой порошковой проволокой обладает следующими преимуществами: 1) простота используемого оборудования и технологии, связанная с отсутствием необходимости применения защитного газа и флюса; 2) возможность наплавки в полевых условиях, поскольку ветер практически не оказывает влияния на процесс наплавки; 3) сравнительная простота введения легирующих элементов в наплавленный металл, состав которого можно регулировать в широких пределах.

Проблема наплавки этим способом, связанная с обильным выделением дыма, решена разработкой специального дымового коллектора.

13.1.5 Наплавка в среде углекислого газа

Наплавка плавящимся электродом в среде защитного газа протекает в условиях газового потока со стороны подачи электродной проволоки (наплавочного материала), что обеспечивает защиту зоны дуги от окружающего воздуха.

В качестве защитного газа используют СО2) хотя в последнее время распространена практика наплавки в смеси углекислого газа с аргоном и другими инертными газами. Все эти варианты носят общее название наплавки плавящимся электродом в среде защитного газа.

При осуществлении износостойкой наплавки в СО2 используют проволоку сплошного сечения или порошковую проволоку. Эти два вида проволоки имеют разное назначение в соответствии с их особенностями, перечисленными в таблице 13.1.5

Основное преимущество наплавки в СО2 состоит в возможности повышения производительности процесса за счет его осуществления в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Недостаток этого способа, присущий и другим способам с применением защитных газов, связан с невозможностью работы на открытом воздухе из-за влияния ветра на процесс наплавки.



Таблица 13.1- Особенности применения проволоки сплошного сечения и порошковой проволоки для наплавки

Показатели процесса наплавки	Проволока сплошного сечения	Порошковая проволока
Скорость плавления и эффективность наплавки	Выше, чем для порошковой проволоки	Ниже, чем для проволоки сплошного сечения
Питание при наплавке	Только постоянным током	Постоянным и переменным током
Шлакообразование	Практически отсутствует	Обеспечивается покрытие валика шлаком (образованным шихтой порошковой проволоки)
Состояние поверхности валика	Хуже, чем при наплавке порошковой проволокой, что связано с разбрызгиванием металла	Хорошее
Глубина проплавления	Больше, чем при наплавке порошковой проволокой	Меньше, чем при наплавке проволокой сплошного сечения
Введение легирующих элементов в наплавляемый металл	Наплавка металла низкой твердости с невысоким содержанием легирующих элементов	Возможно получение высоколегированного наплавленного металла с высоким уровнем твердости
Основное назначение	Для наплавки деталей, подвергаемых последующей механической -обработке, например зубчатых колес кранов	Для наплавки деталей, применяемых без последующей обработки, например траков гусениц и катков тракторов

13.1.6 Наплавка в среде защитного (инертного) газа

Способ состоит в дуговой наплавке при защите зоны дуги аргоном, гелием или иным инертным газом. Наплавку в среде инертного газа осуществляют в двух вариантах: плавящимся и вольфрамовым электродами.

Наплавка плавящимся электродом в среде защитного газа характеризуется тем, что дуга возникает между основным металлом и электродным наплавочным материалом. Наплавка протекает в условиях автоматической подачи электродной проволоки. В качестве защитного газа чаще всего используют аргон, хотя при работе в среде чистого аргона дуга теряет стабильность при наплавке любого материала, кроме алюминиевых сплавов. С целью стабилизации дуги при наплавке стали к аргону добавляют до 20% кислорода или углекислого газа, что существенно влияет на процесс наплавки (рисунок 13.1.6.1). Поэтому задача получения наплавленного металла с заданными свойствами требует тщательного выбора состава защитного газа.

Рисунок 13.4 - Влияние содержания СО2 и кислорода в составе защитного газа на глубину проплавления основного металла при дуговой наплавке плавящимся электродом (Ф 1,2 мм, постоянный ток обратной полярности силой 250 А, наплавка, без предварительного подогрева со скоростью 40 см/мин).

Наплавка вольфрамовым электродом в среде инертного газа характеризуется тем, что дуга, за счет теплоты которой происходит плавление наплавочного присадочного металла, возникает между основным металлом и вольфрамовым электродом. Процесс аргонодуговой наплавки, сходный с газовой наплавкой, протекает в условиях подачи наплавочного прутка и его плавления дугой. Применение механизированных средств подачи наплавочного материала с постоянной скоростью позволяет осуществлять наплавку в автоматическом или полуавтоматическом режиме.

Применение инертного газа исключает необходимость использования флюса, поэтому данный способ особенно эффективен при наплавке цветных металлов, высоколегированных сталей и других материалов, чувствительных к окислению и азотированию. Высокое качество наплавленного металла обеспечивается при широком выборе наплавочных материалов. Стабильная дуга колоколообразной формы образуется в широком диапазоне силы тока, что обеспечивает спокойное формирование сварочной ванны и ровный валик наплавленного металла с гладкой поверхностью. Этот способ уступает наплавке плавящимся электродом по производительности из-за высокой концентрации энергии и низкой эффективности использования теплоты дуги.

13.1.7 Прочие способы наплавки

Электрошлаковая наплавка. Наплавка этим способом протекает в условиях непрерывной подачи электродной проволоки (или ленты) внутри слоя расплавленного шлака, а плавление их происходит за счет теплоты электросопротивления при пропускании тока между основным металлом и электродом.

Электрошлаковая наплавка обладает следующими преимуществами: 1) экономичность наплавки возрастает при увеличении толщины наплавляемого слоя (применение многоэлектродных головок обеспечивает наплавку слоя большой толщины без существенного увеличения продолжительности наплавки); 2) меньше расход шлака, чем при дуговой наплавке под флюсом; 3) возможность наплавки высокоуглеродистых и других материалов, обладающих высокой чувствительностью к образованию трещин, что обеспечивается низкой скоростью охлаждения наплавленного металла; 4) относительная простота процесса наплавки, особенно при использовании расходуемого наконечника.

Электрошлаковую сварку осуществляют обычно в вертикальном положении сварного шва, однако в последнее время разработан способ электрошлаковой наплавки в нижнем положении с использованием ленточных электродов, как показано на рисунке 13.1.7.1.



Рисунок 13.5 - Схема электрошлаковой наплавки ленточным электродом в нижнем положении: 1 -- ролики подачи электрода; 2 -- ленточный электрод; 3 -- мундштук (токоподвод); 4-- бункер для флюса; 5 -- наплавочный флюс; 6 -- жидкий шлак; 7 -- ванна жидкого металла; 8 -- основной металл; 9 -- наплавленный металл; 10 -- источник питания; 11 -- затвердевшая шлаковая корка; 12 -- направление наплавки.

Плазменная наплавка. Наплавка этим способом включает возникновение между основным металлом и электродом горелки (катодом) электрической дуги, обеспечивающей переход в плазменное состояние рабочего газа, подаваемого в зону дуги. При этом из сопла горелки истекает высокотемпературная плазменная струя, обеспечивающая плавление наплавочного материала.

На рисунке 13.5 схематически показана плазменная наплавка нагретой наплавочной проволокой. При наплавке этим способом две проволоки, последовательно подключенные к источнику питания переменного тока подаются с постоянной скоростью в сварочную ванну под плазменной горелкой, где происходит их быстрое расплавление под действием теплоты плазмы в сочетание с нагревом электросопротивлением самих проволок при пропускании переменного тока. Для образования плазмы используют смесь гелия (75%) с аргоном (25%), а в качестве защитного газа применяют аргон, защищающий сварочную ванну и кристаллизирующийся наплавочный металл позади плазменной горелки от действия окружающего воздуха. При наплавке в условиях поперечных колебаний плазменной горелки получают валик шириной до 64 мм. В качестве наплавочного материала используют коррозионно-стойкую сталь, никель и его сплавы, сплавы меди и др. При наплавке проволокой диаметром 2,4 мм получают слой толщиной до 6,5 мм.

В практике наплавки применяют способ, сочетающий в себе плазменную наплавку с дуговой наплавкой плавящимся электродом в среде инертного газа. При этом электрод плазменной горелки и обычный металлический электрод соединяют с противоположной полярностью, и при силе тока выше 300 А столбчатая дуга превращается во вращающуюся, что обеспечивает наплавку валика шириной 40 мм при глубине проплавления основного металла менее 1 мм.

Рисунок 13.6 - Схема плазменной наплавки: 1 -- источник питания постоянного тока; 2 -- плазменная горелка; 3 -- электродвигатель для подачи проволоки; 4 -- наплавочная проволока; 5 -- источник переменного тока для подогрева проволоки.

13.2 Практика наплавки

13.2.1 Подготовка к наплавке

Прокалка наплавочных материалов. Возникновение холодных трещин в наплавленном металле и зоне термического влияния связано обычно с тремя причинами: 1) с высокой твердостью наплавленного металла; 2) с жестким закрепленным состоянием наплавленного участка поверхности детали, исключающего релаксацию напряжений в металле за счет пластической деформации; 3) с водородной хрупкостью, возникающей под действием диффузионного водорода. Наибольшее число проведенных исследований посвящено изучению влияния диффузионно-подвижного (диффузионного) водорода, основным источником которого является влага в составе наплавочных материалов.

На рисунке 13.2.1.1 показано соотношение между содержанием влаги в покрытии электродов для ручной наплавки и флюсе для автоматической наплавки и содержанием диффузионного водорода в наплавленном металле. Повышение влажности наплавочных материалов всегда сопровождается увеличением содержания диффузионного водорода в наплавленном металле.

Влажность наплавочных материалов частично включает остаточную кристаллизационную воду, однако основная ее часть приходится на водяные пары, поглощаемые из окружающего воздуха.

Рисунок 13.2.1.1 - Зависимость содержания диффузионного водорода Н в наплавленном металле от содержания влаги Н2О в электродах с покрытием основного типа:

а -- быстрое охлаждение металла (через 5 с после кристаллизации) в глицерине при 45°С; х -- электрод D5016 с покрытием основного типа (26°С, относительная влажность 73%); О -- электрод L80 с покрытием основного типа (20°С, относительная влажность 60%); б -- хромоникелемолибденовый электрод Е10016 Ф 4 мм, быстрое охлаждение металла (через 10 с после кристаллизации) в глицерине при 104°С; 1, 2, 3 -- варианты электродного покрытия.

На рисунке 13.2.1.2 показана зависимость содержания поглощенной влаги в электродах с покрытием основного типа от продолжительности выдержки этих электродов в среде воздуха. При некотором состоянии атмосферного воздуха электроды поглощают достаточно большое количество влаги в течение нескольких часов выдержки. Следовательно, перед наплавкой электроды, флюсы и другие шлакообразующие материалы необходимо прокалить в течение 1 ч при температуре, приведенной в таблице 13.2.1.1. Если после прокалки их длительное время не применяют, то непосредственно перед наплавкой эти материалы необходимо подвергать повторной прокалке.

Рисунок 13.2.1.2 - Зависимость содержания поглощенной влаги Н2О в электродах с покрытием основного типа от продолжительности (t) выдержки их на воздухе с разной относительной влажностью:

- электроды для наплавки высокопрочной стали Ф 5 мм (23--26°С);

- электроды для наплавки высокопрочной стали, Ф 4 мм (20°С).

Таблица 13.2 - Температура прокалки наплавочных материалов

Наплавочные материалы	Температура сушки, °С
Электроды с покрытиями:
высокорутиловым	80--120
карбонатно-рутиловым	200--250
основного типа	300--350
графитосодержащим	150--200
Порошковая проволока с флюсовой сердцевиной	250--350
Керамический флюс	250--300
Плавленый флюс	250--400

Обработка поверхности перед наплавкой. Для получения качественного наплавленного слоя поверхность детали перед наплавкой рекомендуется подвергать зачистке с целью полного удаления различных загрязнений (влаги, масла, пыли, ржавчины), а также возможных дефектов в виде трещин, следов износа, упрочненных слоев и др.

Для зачистки поверхности основного металла используют разнообразные способы обезжиривания, из которых наиболее надежна промывка ацетоном. Для удаления оксидной пленки и мелких трещин используют дисковые и ленточные инструменты из абразивных материалов или пескоструйную обработку. Глубокие поверхностные трещины удаляют различными способами обработки резанием.

Обеспечение хорошего состояния поверхности основного металла особенно важно при наплавке стеллита. Перед наплавкой детали можно подвергать нормализации или отжигу для получения стабильной структуры основного металла. Для качественного формирования наплавленного слоя рекомендуется выполнять разделку поверхности детали с обеспечением необходимой чистоты.

Предварительный нагрев. Для предотвращения растрескивания наплавленного слоя, особенно при наплавке твердыми материалами, необходимо правильно выбрать температуру предварительного подогрева детали, оказывающего влияние на твердость наплавленного металла. Недостаточная температура предварительного подогрева создает, опасность возникновения трещин, а чрезмерный нагрев вызывает снижение скорости охлаждения и увеличение глубины проплавления основного металла, что не обеспечивает требуемой твердости наплавленного металла.

Предварительный подогрев осуществляют обычно газовыми горелками, ТВЧ или электрическими нагревателями, а для валков прокатных станов и других крупных изделий используют емкие нагревательные печи.

При нагреве горелками рекомендуется использовать пропан, при нагреве ацетилено-кислородным пламенем последнее должно быть нормальным (восстановительным).

Температуру предварительного подогрева следует выбирать с учетом состава и свойств основного металла. Сварочные приспособления. Наплавку рекомендуется осуществлять в нижнем положении, что позволяет широко использовать различные позиционеры (манипуляторы )и роликовые стенды.

13.2.2 Наплавка

Газовая наплавка стеллита предполагает выполнение следующих правил:

1) необходим предварительный подогрев детали до заданной температуры (см. таблице 13.2.2.1), а для крупных изделий -- подогрев их с обратной стороны, чтобы во время наплавки поддерживать температуру основного металла 400--500°С;

2) наплавляемая поверхность должна находиться по возможности в точном горизонтальном положении;

3) наплавку необходимо выполнять науглероживающим пламенем при поддержании расстояния между ядром пламени и основным металлом ~3 мм в условиях запотевания поверхности основного металла; во избежание перегрева наплавлять следует более широким, но коротким пламенем, чем при газовой сварке;

4) подачу наплавочного металла и его плавление следует начинать после запотевания поверхности основного металла; расплавляемый конец присадочного прутка необходимо держать ближе к поверхности сварочной ванны, но без ввода внутрь ванны. Для обеспечения хорошего растекания стеллита по поверхности основного металла пруток рекомендуется держать в определенном положении без изменения угла наклона и поворачивая его в разные стороны. Наплавку осуществляют обычно при перемещении сопла горелки вперед, как показано на рисунке 13.2.2.1.

Рисунок 13.2.2.1 - Схема наплавки газовым пламенем с перемещением сопла горелки углом вперед: 1 -- наплавочный пруток; 2 -- направление наплавки; 3 -- сопло горелки.

...