Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 6
1.1. Алюминиевые сплавы, применяемые для изготовления деталей шестеренных насосов, и их характеристики 6
1.2. Анализ технического состояния изношенных деталей гидравлических шестеренных насосов типа НШ-У 7
1.3. Современные способы восстановления алюминиевых деталей насосов типа НШ-У 9
1.4. Микродуговое оксидирование как перспективный способ восстановления и упрочнения алюминиевых деталей насосов типа НШ-У 13
1.5. Выводы и задачи исследований 15
2. Теоретические предпосылки формирования толстослойных оксидных покрытий на литейных алюминиевых сплавах способом МДО 17
2.1. Электрический пробой оксидных пленок 17
2.2. Обоснование выбора электролита для получения толстослойных керамических покрытий
2.3. Выводы 33
3. Методика экспериментальных исследований 34
3.1. Материалы и оборудование для проведения исследований 34
3.2. Приготовление, контроль и оценка стабильности электролита 40
3.3. Методика проведения рентгеноспектрального анализа 41
3.4. Методика измерения толщины покрытий 42
3.5. Методика измерения микротвердости покрытий 46
3.6. Методика определения выхода вещества по энергии 47
3.7. Методика определения маслоемкости покрытий 47
3.8. Методика испытаний на изнашивание 48
3.9. Методика проведения ускоренных стендовых испытаний насосов НШ-32У-3 50
3.10. Определение ошибки эксперимента и повторности опытов 52
4. Результаты исследований и их обсуждение 54
4.1. Влияние состава электролита и режимов микродугового оксидирования на толщину и скорость формирования покрытий 54
4.2. Выход вещества по энергии 62
4.3. Рентгеноспектральный анализ покрытий 65
4.4. Оценка стабильности электролита 69
4.5. Микротвердость покрытий 71
4.6. Маслоемкость покрытий 74
4.7. Износостойкость покрытий 77
4.8. Стендовые испытания шестеренных насосов НШ-32У-3 ; 81
4.9. Эксплуатационные испытания насосов НШ-32У-3 83
4.10. Выводы 84
5. Технологический процесс и его технико-экономическая эффективность 87
5.1. Технологический процесс восстановления и упрочнения колодцев корпусов и втулок шестеренных насосов НШ-32У-3 87
5.2. Экономическая эффективность восстановления и упрочнения корпусов и втулок насоса НШ-32У-3 микродуговым оксидированием 93
5.3. Выводы 104
Общие выводы 105
Литература
- Анализ технического состояния изношенных деталей гидравлических шестеренных насосов типа НШ-У
- Обоснование выбора электролита для получения толстослойных керамических покрытий
- Рентгеноспектральный анализ покрытий
- Экономическая эффективность восстановления и упрочнения корпусов и втулок насоса НШ-32У-3 микродуговым оксидированием
Введение к работе
В условиях постоянного удорожания машин и запасных частей, старения машинно-тракторного парка остро встает необходимость восстановления изношенных деталей. Восстановление деталей позволяет решать вопросы обеспечения сельскохозяйственной техники качественными запасными частями, ресурс которых зачастую выше, чем у новых ввиду применения прогрессивных технологий. При этом происходит экономия топливно-энергетических, материальных и трудовых ресурсов за счет повторного, а в отдельных случаях многократного использования изношенных деталей, восстанавливаемых на производственной базе ремонтных предприятий.
Современная сельскохозяйственная техника оснащена различными гид-рофицированными агрегатами, в том числе гидравлическими шестеренными насосами. Шестеренные насосы работают в условиях повышенной запыленности, резких колебаниях температуры воздуха, высоких давлений рабочих жидкостей, что приводит к интенсивному изнашиванию деталей, в частности, изготовленных из алюминиевых сплавов. В связи с этим восстановление и упрочнение деталей гидравлических шестеренных насосов, изготовленных из алюминиевых сплавов, является весьма актуальной задачей. Однако, применяемые в настоящее время технологические процессы восстановления деталей, не всегда удовлетворяют современным требованиям, в частности, многие из них не позволяют упрочнять рабочие поверхности, что отрицательно сказывается на ресурсе деталей.
Одним из перспективных способов восстановления и упрочнения деталей из алюминия и его сплавов является микродуговое оксидирование (МДО). Целесообразность применения данного способа в ремонтном производстве, позволяющего получать износостойкие покрытия, показана в исследованиях Батищева А.Н., Федорова В.А., Маркова Г.А., Малышева В.Н., Эпельфель-да А.В., Снежко В.А., Великосельской Н.Д. и др. В настоящей работе изложены результаты исследований, направленные на разработку технологии восстановления и упрочнения деталей гидравлических шестеренных насосов из алюминиевых сплавов способом МДО.
Работа выполнена на кафедре "Надежность и ремонт машин" Орловского государственного аграрного университета.
Анализ технического состояния изношенных деталей гидравлических шестеренных насосов типа НШ-У
Применение алюминиевых сплавов для изготовления деталей шестеренных насосов обусловлено их свойствами, которые позволяют им конкурировать со сталью и другими материалами. Среди положительных качеств алюминиевых сплавов необходимо отметить их малую плотность, относительно высокую прочность, повышенную коррозионную стойкость, хладостойкость, высокую технологичность и др. Кроме того, алюминиевые сплавы немагнитны, отличаются отсутствием искрообразования, гладкостью поверхности и высокой отражательной способностью [1, 2, 3]. Благодаря приведенным свойствам детали из алюминиевых сплавов обладают высокой ремонтопригодностью, что позволяет исправлять производственные дефекты и восстанавливать детали в процессе эксплуатации.
В сельскохозяйственном машиностроении для изготовления деталей шестеренных насосов используют литейные алюминиевые сплавы. Примерное использование литейных алюминиевых сплавов для деталей гидравлических насосов сельскохозяйственной техники приведено в таблице 1.1 [1, 2, 3, 4].
Таким образом, на основании наиболее широко применяемых литейных алюминиевых сплавов для изготовления деталей гидравлических шестеренных насосов типа НШ-У для проведения исследований, выбираем сплавы АК7ч и АОЗ-7.
Химический состав вышеуказанных сплавов приведен в таблице 1.2, согласно ГОСТ 1583-93 и ГОСТ 14113-78.
При разработке технологии ремонта шестеренных насосов необходимо знать их техническое состояние, характер дефектов деталей и значение их износа. Эти критерии являются основными исходными показателями при назначении технологии восстановления изношенных деталей.
Для получения наиболее точных данных по износам деталей гидронасосов на ОАО АПК «Нива - Змиевка» МТС Орловской области, осуществляющем ремонт гидроаппаратуры тракторов и сельскохозяйственных машин, были произведены замеры изношенных поверхностей деталей вышеуказанной группы. Анализу подвергали изношенные корпуса и втулки насосов НШ-32У-3. Измерению подвергали выборки деталей в количестве 40 штук каждая. Выбор плоскостей измерения проведен согласно ГОСТ 18509-80.
Результаты измерений показали, что средний износ поверхностей колодцев насосов НШ-32У-3 составляет 0,130 мм, а максимальный износ достигает 0,240 мм (рисунок 1.1). Средний износ втулок насосов НШ-32У-3 по внутреннему диаметру равен 0,062 мм, а максимальный - 0,120 мм (рисунок 1.2). Математическая обработка полученных статистических данных проводилась с использованием ПЭВМ.
По результатам математической обработки были построены дифференциальные и интегральные кривые распределения износов деталей, которые представлены на рисунках 1.1 и 1.2. При этом установлено, что распределение износов колодцев и втулок насосов подчиняется теоретическому закону распределения Вейбулла.
В настоящее время применяются следующие способы восстановления алюминиевых деталей насосов типа НШ-У: способ смещения осей шестерен, пластическое деформирование, нанесение полимерных материалов, постановка дополнительной детали, диффузионная металлизация, нанесение гальванопокрытий [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].
Способ смещения осей шестерен. При поступлении гидравлических насосов НШ-У в ремонт впервые, корпус ремонтируют способом смещения осей шестерен [4, 10, 11, 12]. В этом случае колодцы растачивают на увеличенный размер с обеспечением допусков, рекомендуемых заводом-изготовителем. Во втулках с увеличенным по наружному диаметру размером эксцентрично растачивают отверстия под цапфы шестерен. Зубья шестерен при работе насоса касаются стенок корпуса за счет смещения во втулке, на дежно разделяя всасывающую и нагнетательную полости. Способ является относительно простым и дешевым. Основное ограничение - невозможность применения данного способа для деталей, имеющих большие износы.
Пластическое деформирование. Восстановление деталей способом пластических деформаций основано на использовании запаса прочности и пластических свойств материала [9, 13, 14, 31, 32].
При ремонте алюминиевых корпусов и втулок гидравлических шестеренных насосов типа НШ-У широкое распространение получило обжатие [4, 11, 18]. Восстановление корпусов насосов обжатием производится в следующей последовательности. Очищенный корпус загружают в печь и выдерживают в ней при температуре 470...490С в течение 30...35 минут. Нагретый корпус закладывают в пресс-форму и обжимают в течение 10... 15 секунд. Обжатие должно быть завершено при температуре не ниже 430С. После обжатия корпус помещают в печь и выдерживают в течение 30 минут при температуре 520...535С, а затем закаливают в воде с температурой 60...80С. Закаленный корпус подвергают отпуску при температуре 170...180С в течение 4...6 часов с последующим охлаждением на воздухе. Зачищают привалочные плоскости под крышку и муфты на плите с абразивной шкуркой. Специальной фрезой фрезеруют канавку под уплотнительную манжету. Отверстия приемной и напорной полостей рассверливают.
При восстановлении корпусов пластическим деформированием и последующей расточкой получают дополнительные три ремонтных размера по диаметру. Уменьшение межцентрового расстояния между колодцами позволяет полностью компенсировать потерю рабочего объема, вызванного уменьшением размера шестерен по наружному диаметру.
Обоснование выбора электролита для получения толстослойных керамических покрытий
При выборе вида и состава электролита для восстановления и упрочнения алюминиевых деталей шестеренных насосов необходимо учитывать, что в условиях ремонтных предприятий к электролитам предъявляются следующие требования [27, 29, 32, 34, 36]: электролит должен обеспечивать возможность получения на деталях покрытий с высокими физико-химическими свойствами; свойства получаемых покрытий должны находиться в строгом соответствии с заданными режимами электролиза и регулироваться ими в широких пределах; получение покрытия должно быть максимально производительным; электролит должен быть простым по составу, надежным в эксплуатации и экологически безопасным; применяемые для приготовления электролита материалы должны быть дешевыми и недефицитными; способы контроля и корректировки электролита должны быть просты и доступны для ремонтных предприятий. Электролиты для МДО делятся на четыре основные группы [49, 63, 70, 76, 106]: растворы, в которых упрочненный слой образуется за счет окисления металла (растворы кислот и щелочей); растворы, в которых покрытие создается за счет анионов электролита (растворы жидкого стекла); растворы, в которых покрытие формируется за счет окисления металла и за счет анионов электролита (смеси растворов первого и второго типов); растворы, содержащие мелкодисперсные частицы.
В электролитах первой группы покрытие формируется преимущественно благодаря окислению алюминия. В электролитах второй и третьей групп происходит не только окисление алюминия, но и включение в состав покрытия вещества из электролита. В электролитах четвертой группы покрытие формируется в основном из материала, присутствующего в них в виде взвеси [63, 78, 75, 76, 77, 107]. Благодаря тому, что процесс ведут в условиях искрового разряда на поверхности оксидируемой детали при локальных температурах в зоне реакции 70О...25ОС, композиционные добавки, находящиеся в электролите в виде порошков, сплавляются с другими компонентами покрытия, образуя прочный керамический слой. Применение этих электролитов позволяет формировать покрытия с использованием оксида алюминия, оксида титана и других материалов, введенных в состав электролита, что существенно расширяет возможность получения покрытий с функциональными различными свойствами.
Составы нескольких наиболее распространенных электролитов, используемых при МДО, и примерное назначение получаемых керамических покрытий представлены в таблице 2.1.
В промышленности наибольшее применение получили электролиты первой группы. Одним из самых простых и признанных электролитов этой группы стал раствор, содержащий КОН 2...8 г/л, который дает возможность получать качественные керамические покрытия на алюминиевых сплавах. С этой же целью могут использоваться растворы некоторых кислот (серная, фосфорная, щавелевая, лимонная и др.), среди которых наибольшее распространение получила серная кислота. Следует отметить, что серная кислота, как и другие, пригодна лишь в концентрированном виде, так как разбавленная кислота не способна пассивировать алюминий, что является решающим фактором при ведении мдо.
При использовании электролитов первой группы геометрические размеры обрабатываемых деталей изменяются незначительно. Упрочненный слой формируется с внутренней стороны, то есть на границе раздела "металл -пленка". В этом случае покрытие углубляется в металл, а наружный действительный размер детали меняется в пределах 10 % от толщины сформированной пленки на величину внешнего слоя покрытия, который при последующей финишной механической обработке полностью удаляется [70, 81, 84].
Особый интерес представляют электролиты 2-ой и 3-ей групп, способные образовывать покрытия за счет катионов раствора. К данным электролитам можно отнести растворы силикатов щелочных металлов.
Очевидно, что в разбавленных растворах силикаты щелочных металлов диссоциируют на катион N% И мономерный анион [ЩБЮ ] , который в результате поликонденсации в концентрированных электролитах образует полимерные цепи разной длины [63]:
Рентгеноспектральный анализ покрытий
С целью изучения элементного состава покрытий полученных МДО на образцах из сплавов АК7ч и АОЗ-7 были проведены исследования количественного распределения химических элементов по толщине покрытий, которые формирова-ли на следующих режимах: Дг=25 А/дм ; Т=90 мин; Скон=2 г/л; С а-siO?. = Zj/jl Рентгеноспектральному анализу подвергались основные химические элементы, входящие в состав оксидируемых сплавов и электролита: Al, Si, Mg, Си, Sn, К, Na, О. Результаты проведенных исследований показали, что в покрытиях присутствуют все вышеперечисленные элементы (приложения Б и В).
Было установлено, что наибольшее процентное содержание алюминия на обоих сплавах наблюдается в зоне с наивысшей микротвердостью и уменьшается по мере приближения к поверхностному слою покрытия (рисунок 4.11).
Количество кремния возрастает по мере приближения к поверхностному слою покрытия (рисунок 4.12). Следует отметить, что содержание кремния на поверхности покрытий обоих оксидируемых сплавов примерно одинаковое, несмотря на то, что сплав АК7ч в своем составе содержит 6...8 % Si, а АОЗ-7 всего -0,6...0,8 % Si. Следовательно, добавка в электролит метасиликата натрия приводит к обогащению упрочненного слоя покрытия. Это подтверждается исследованиями ряда авторов [76, 57, 101], которые указывают на то, что с увеличением содержания кремния в электролите растет доля муллита ЗА120з 2Si02 в покрытии. По мере движения от поверхностных слоев к алюминиевой основе содержание кремния в покрытиях на обоих сплавах резко падает. При этом, проанализировав химический состав оксидируемых сплавов и результаты рентгеноспектрального анализа распределения кремния по толщине покрытия можно отметить, что чем выше содержание кремния в оксидируемом сплаве, тем в большем количестве он встречается в покрытии.
Наибольшая концентрация калия и натрия, входящих в состав электролита, наблюдается в поверхностных слоях покрытия и уменьшается по мере приближения к металлической основе (рисунок 4.15 и 4.16).
Проведенный рентгеноспектральный анализ и выявленное при этом распределение химических элементов по толщине покрытий позволяют в опреде лённой степени судить о механизме МДО и влиянии химического состава оксидируемого сплава и электролита на элементный состав покрытия. Результаты исследований подтверждают теоретические положения, сделанные в глазе 2, о возможности формирования покрытий за счет компонентов электролита.
Стабильность электролитов для формирования покрытий способом МДО определяется рядом факторов, соблюдение которых обеспечивает достаточно долгий срок эксплуатации растворов и необходимое качество покрытий.
В ходе исследований, установлено, что по мере работы электролита происходит его обеднение, что приводит к снижению толщины внешнего упрочненного слоя формируемых покрытий (рисунок 4.17). Так, например, при обработке алюминиевых сплавов в "свежем" электролите толщина внешнего упрочненного слоя покрытия составляет: на сплаве АОЗ-7 - 90 мкм, на сплаве АК7ч - 70 мкм. После 42 часовой работы ванны толщина внешнего упрочненного слоя на сплаве АОЗ-7 снижается до нуля, а на сплаве АК7ч -до 30 мкм.
При работе ванны в течение 12 часов рН электролита уменьшается незначительно. Покрытия, полученные на данном этапе, характеризуются практически постоянной толщиной (рисунок 4.17). При дальнейшем оксидировании наблюдается интенсивное снижение рН раствора. Необходимо также отметить, что в ходе нанесения покрытия на дне электрохимической ванны наблюдается образование осадков белого цвета. Это свидетельствует о протекании реакций ка поверхности образца и в объеме электролита. Можно предположить, что изменение рН электролита связано с переходом компонентов раствора на металлическую поверхность, в результате чего происходит нарушение ионного состава в растворе.
В ходе дальнейших исследований основное внимание было уделено изменению количества кремния в электролите. Методом химического анализа было определено количество кремния после 18 часов работы электролита, когда наблюдается значительное снижение толщины внешнего слоя покрытия на обоих сплавах. Оказалось, что в "отработанном" электролите количество кремния в 1,8-2,1 раза меньше, чем в свежем электролите.
Экономическая эффективность восстановления и упрочнения корпусов и втулок насоса НШ-32У-3 микродуговым оксидированием
Оксидирование осуществляют в электролите следующего состава: КОН - 1,8...2,5 г/л, NaiSiO , - 14... 16 г/л. Микродуговую обработку ре-комендуется начинать при плотности тока 30...35 А/дм . После выхода процес-са на режим плотность тока необходимо довести до 25...30 А/дм . Это обу-словлено тем, что при увеличении плотности тока свыше 30...35 А/дм" возможен переход микродуговых разрядов в дуговые, которые приводят к порче и разрушению покрытия, а уменьшение плотности тока ниже 20...25 А/дм1 приводит к снижению скорости роста оксидного покрытия.
Для финишной механической обработки колодцев корпусов рекомендуется использовать внутришлифовальный станок ЗК228А. При этом обработку восстановленных поверхностей целесообразно проводить при помощи эластичного абразивного инструмента, который состоит из лепестков абразивной шкурки, закрепленных между двумя дисками [105, 110, 111, 112]. При вращении инструмента обработка осуществляется периферийной частью лепестков шкурки.
Применение проточной схемы ведения МДО для восстановления втулок шестеренных насосов НШ-32У-3 нецелесообразно, ввиду простоты и небольшой поверхности обработки.
Для микродуговой обработки втулок разработана специальная подвеска, представленная на рисунке 5.3. Оксидирование втулок осуществляют следующим образом. Восстанавливаемую втулку 2 (она же является одним из электродов) в сборе с изоляционным фторопластовым корпусом 5 устанавливают на стойку электрода 3 и фиксируют гайкой б. После этого в наружную боковую поверхность втулки ввинчивают токоподвод, собранную подвеску опускают в ванну и проводят МДО.
При этом втулки, имеющие небольшой износ по внутреннему диаметру (до 0,06 мм), растачивают до выведения следов износа, а затем подвергают МДО. При износе втулок свыше 0,06 мм рекомендуется проводить обжатие с последующим МДО.
Таким образом, в зависимости от значения износа, маршруты восстановления втулок аналогичны J и 3 маршрутам восстановления колодцев корпусов (рисунок 5.1).
Карты разработанных технологических процессов восстановления и упрочнения колодцев корпусов и втулок шестеренных насосов НШ-32У-3 представлены в приложениях Д и Е.
Принятие решения о целесообразности применения в ремонтном производстве разработанного технологического процесса осуществляется после определения его экономической эффективности в сравнении с базовым вариантом.
При расчете экономического эффекта от внедрения разработанной технологии использованы методики [114 - 118].
Экономическая эффективность от внедрения разработанной технологии определяется по формуле: Эв = хРн.т. (5-І) ((- _у б.т. (-і _ (-,н.т. \ б.т. ост -н.т. ост v б.т. н.т. где Cf)m , Снт - себестоимость деталей, восстановленных, соответственно по базовой и новой технологиям,руб.; Сост- С ост остаточная стоимость деталей после эксплуатации, восстановленных по базовой и новой технологиям,/туб.; PQ т , Рнт - наработка восстановленной детали соответственно по базовой и новой технологиям, моточасы.
Определяя экономическую эффективность восстановления и упрочнения корпуса и втулок насоса НШ-32У-3 применительно к условиям ОАО АПК "Нива - Змиевка" МТС Орловской области, исходили из того, что на данном предприятии корпуса насосов и втулки рассчитывают под ремонтные размеры, а новый технологический процесс ремонта включает дополнительные операции микродуговой обработки и последующую механическую обработку вышеуказанных деталей. При этом себестоимость ремонта насоса НШ-32У-3 увеличится на технологическую себестоимость МДО и технологическую себестоимость финишной обработки корпуса и втулок.
