Введение к работе
Актуальность исследования. Дальнейшее повышение эффективности работы деталей агрегатов двигателей летательных аппаратов (ДЛА), летательных аппаратов (ЛА) и технологической оснастки, используемой при их изготовлении, связано, как правило, с повышением температуры и усилением агрессивности рабочей среды, рабочего процесса. Кроме того, необходимо обеспечить требуемую износостойкость и эрозионную стойкость деталей ДЛА, ЛА и технологической оснастки, подвергающихся механическому, абразивному и эрозионному износу в процессе эксплуатации.
Одной из наиболее распространенных причин выхода деталей и сборочных единиц из строя является не поломка, а износ и повреждение рабочих поверхностей. Применяя покрытия с заданными свойствами можно решить вопросы повышения износостойкости, коррозионной и эрозионной стойкости элементов конструкций ДЛА, ЛА и технологической оснастки для их производства.
Традиционно используемыми методами нанесения коррозионно-и износостойких покрытий являются гальванический и химический методы. Так для деталей из высокопрочных сталей широко применяется гальваническое кадмирование и цинкование.
Дтя повышения коррозионно-и износостойкости алюминиевых сплавов (корпуса, фланцы, клапаны, крыльчатки, пуансоны и матрицы форм для литья и прессования) традиционно используется химическое оксидирование и электрохимическое оксидирование (анодирование). Однако в процессе развития и исследования анодирования было обнаружено, что окисная пленка на аноде может образовываться при довольно широком варьировании напряжений на ванне, в том числе и напряжений, превышающих напряжения искрового режима, переходящего в дуговой или микродуговой. Так возник перспективный способ, получивший название микродугового оксидирования (МДО), позволяющий получать керамико-подобные покрытия на авиационных металлах "вентильной группы" (Al, Ті, Nb и др.).
Этот метод позволяет получить на поверхности, в частности, деталей из алюминиевых сплавов композиционный упрочненный слой, характеризующийся повышенными механическими и износостойкими характеристиками. Если ресурс рабочих поверхностей этих деталей можно увеличить за счет использования покрытий МДО, то использование алюминиевых сплавов позволит значительно снизить трудоемкость изготовления этих деталей и уменьшить их стоимость. Хорошие результаты от применения МДО можно ожидать при изготовлении форм для литья термопластов и прессования реактопластов, для прессования резинотехнических изделий, для изготовления литьевых моделей в производстве ДЛА и ЛА.
Пока же, несмотря на перспективность, широкого практического ' применения в технологии изготовления форм процесс МДО не нашел. Это объясняется несколькими основными причинами.
Во-первых, недостаточно изучены и систематизированы процессы, протекающие при микродуговом оксидировании высокопрочных, деформируемых алюминиевых сплавов, являющихся перспективными для изготовления технологических форм.
Во-вторых, не разработаны оптимальные технологии МДО обработки деталей форм, изготавливаемых из новых деформируемых алюминиевых сплавов, и не проведены исследования свойств МДО покрытий для этих сплавов, которые могли бы доказать эффективность новых технологических процессов МДО обработки.
В-третьих, не создано специализированное автоматизированное и надежное оборудование для реализации МДО процесса. Причем решение последней проблемы тесно связано с решением первых двух.
. В связи с этим актуальность темы настоящей работы определяется разработкой методик комплексного, всестороннего исследования покрытий, формируемых МДО на новых высокопрочных алюминиевых сплавах для рабочих поверхностей форм. Другими важными аспектами актуальности является необходимость разработки технологий обработки МДО новых высокопрочных алюминиевых сплавов и создание промышленно-экспериментальной автоматизированной установки МДО.
Цель настоящего исследования: разработка и исследование метода МДО получения покрытий на новых высокопрочных деформируемых сплавах, которые используются при изготовлении форм; для повышения износостойкости наиболее напряженных элементов форм. В соответствии с этим для реализации поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1.) анализ и оценка перспектив использования форм из алюминиевых сплавов и, в частности, для литья пластмасс под давлением;
2.) анализ возможностей метода МДО для повышения стойкости и ресурса рабочих поверхностей литьевых форм;
3.) обоснование и выбор конкретной марки нового высокопрочного деформируемого алюминиевого сплава и оптимальных режимов его упрочнения методом МДО;
4.) исследование геометрических и физико-химических параметров и свойств оптимальных покрытий, полученных МДО на выбранном алюминиевом сплаве;
5.) исследование эксплуатационных характеристик покрытий, полученных МДО: термостойкость, циклическое сжатие, изгиб, износостойкость;
6.) разработка и изготовление автоматизированной опытно-промышленной установки МДО;
7.) разработка и реализация опытного технологического процесса МДО применительно к высокопрочным алюминиевым сплавам форм, используемых в переработке пластмасс и резин.
Объектом исследования настоящей работы является процесс МДО применительно к рабочим поверхностям форм из высокопрочных алюминиевых сплавов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- методом МДО получены износостойкие покрытия на новых
высокопрочных алюминиевых сплавах, отвечающих технологическим
требованиям к рабочим поверхностям форм для переработки пластмасс и
резин;
-с использованием методов Mold Flow Analysis и Final Element Analysis получены характеристики теплового, силового и напряженно-деформированного состояния рабочих поверхностей форм из новых сплавов для процесса литья пластмасс под давлением, как наиболее напряженного из процессов переработки неметаллических материалов в формах;
для обоснованно выбранного деформируемого алюминиевого сплава А1-89 получены регрессионные математические модели, дающие зависимости свойств покрытий от режимных параметров МДО;
определены оптимальные составы электролитов и режимы получения МДО покрытий для выбранного сплава;
созданы оригинальные методики и оборудование для определения эксплуатационных (применительно к формам) свойств МДО покрытий: циклическое сжатие, усталость при циклическом нагружении на изгиб, термоциклирование и адгезия.
Практическая ценность работы.
Разработанная автором технология и полученные оптимальные режимы МДО обработки новых высокопрочных алюминиевых сплавов позволяет значительно повысить ресурс форм, используемых в переработке пластмасс и резин, и в частности, литья пластмасс под давлением.
Результаты работы использованы при передаче на фирму Ford Motor Company, США, монтаже и запуске в эксплуатацию опытно-промышленной установки мощностью 10 кВт, работающей в ручном, диалоговом и автоматическом режиме с управлением процессом от PC.
Процесс МДО был реализован на фирме Venture, США при защите области контакта двух половин вкладыша в форму литья пластмассы под
давлением, который отработал 105 циклов на термопластавтомате без разрушения и износа защищенных поверхностей. Научные положения, выносимые на зашиту:
- характеристики теплового, силового и напряженно-
деформированного состояния рабочих поверхностей форм для литья
пластмасс под давлением;
-результаты обоснованного выбора высокопрочного алюминиевого сплава с учетом его обрабатываемости методом МДО;
принципы выбора оптимального режима процесса МДО на основе использования метода планирования эксперимента;
методики определения основных эксплуатационных свойств МДО покрытий: циклическое сжатие, усталость при циклическом нагружении, термоциклирование и адгезия;
-схемные и конструкторские решения опытно-промышленной установки МДО, реализующей диалоговый и автоматический режимы работы с управлением от PC.
Апробация. Материалы диссертации прошли апробацию на научных семинарах в МАИ и КГТУ на Международной научно-практической конференции "Автомобиль и техносфера-99", Казань, 1999 г.
Разработанные в работе схемные и конструкторские решения легли в основу созданной опытно-промышленной установки МДО, успешно используемой на фирме Форд Мотор Комлани (США). На основании проведенных исследований разработан типовой технологический процесс получения МДО покрытий и внедрен на предприятии Венчур (США) при формировании покрытия на вставке инжекционной литьевой формы, которое прошло успешное испытание в реальном литейном цикле на термопластавтомате "Toshiba" с общим числом циклов 105.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ: из низ 5 статей, 1 препринт и 1 тезисы доклада.
Структура и объем работы. Работа изложена на 169 страницах, содержит 24 таблицы, 73 рисунка и состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 91 наименования и пяти приложений.
