Способ восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности



Способ восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности
Способ восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности
Способ восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности
Способ восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности
Способ восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности

 


Владельцы патента RU 2635203:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук (ИПМаш РАН) (RU)

Изобретение относится к машиностроению, а именно к восстановлению поверхности изделий концентрированными источниками энергии, и может быть использовано в производстве для восстановления изношенных внутренних цилиндрических поверхностей, например гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, поршневых колец, шлицевых втулок, посадочных отверстий под подшипники буксы железнодорожных вагонов. Способ включает нагрев поверхностного слоя изделия локально-концентрированным источником энергии с последующим охлаждением путем отвода тепла в тело изделия. Нагрев поверхностного слоя изделия осуществляют в вакууме, а в качестве локально-концентрированного источника энергии используют вакуумно-дуговой разряд, при этом по внутренней цилиндрической поверхности изделия со скоростью до 100 м/с перемещают образующееся в результате вакуумно-дугового разряда катодное пятно. Изобретение обеспечивает простоту и высокую производительность процесса, качество получаемых изделий за счет устранения процессов обезуглероживания и окисления и способствует расширению номенклатуры обрабатываемых изделий за счет обработки изделий сложных геометрических форм. 5 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам обработки поверхности концентрированными источниками энергии, и может быть использовано в производстве для восстановления изношенных поверхностей, например гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, поршневых колец, шлицевых втулок, посадочных отверстий под подшипники (например, буксы железнодорожных вагонов) и многих других изделий.

Известны способы восстановления изношенных поверхностей с применением механических, электрофизических и электрохимических методов обработки (а.с. СССР №1676785 от 11.09.89, опубл. 15.09.91, Б.И. №34; а.с. СССР №430983 от 05.05.70, опубл. 05.06.74, Б.И. №21; а.с. СССР №1593874 от 23.11.88, опубл. 23.09.90, Б.И. №35; патент RU №2025247 от 22.11.91, опубл. 30.12.94; патент RU №2182932 от 11.05.2000, опубл. 27.05.2002).

Известен способ восстановления изношенных посадочных поверхностей за счет поверхностного пластического деформирования материала детали (патент RU №2139177 от 02.06.98, опубл. 10.10.99).

Но этими способами нельзя достичь требуемых свойств поверхностного слоя восстанавливаемых изделий, так как снижаются заданные прочностные характеристики последних. Недостатком также является возникновение больших внутренних напряжений в детали, которые приводят к искажению правильной геометрической формы.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является «Способ лазерной обработки поверхности деталей» (а.с. СССР №1816621 от 22.01.90, В23Р, 6/00, В23К, 26/00, опубл. 23.05.93, Бюл. №19), включающий поверхностный нагрев слоя изделия локально-концентрированным источником энергии в виде сфокусированного лазерного луча, перемещающегося по поверхности. По данному способу восстановление изношенных поверхностей происходит за счет роста зерна структуры материала при обработке лазерным лучом на режимах: мощность излучения Р=1,2-1,5 кВт; диаметр луча лазера dл=3-4 мм, и скорости его перемещения относительно детали Vл=20-30 мм/с, что приводит к изменению линейных размеров детали.

По данному способу восстанавливаемая деталь с цилиндрической восстанавливаемой поверхностью устанавливается во вращатель лазерной технологической установки. Обработку поверхности локально-концентрированным источником энергии производят, вращая деталь вокруг оси и перемещая ее относительно луча лазера вдоль оси вращения. Для обеспечения требуемой скорости нагрева до температуры рекристаллизации зоны структуры материала при мощности лазерного излучения Р=1,2-1,5 кВт, диаметре сфокусированного луча лазера dл=3-4 мм скорость обработки составляет Vл=20-30 мм/с. При скорости менее 20 мм/с происходит расплавление обрабатываемой поверхности, а при скорости более 30 мм/с заметного роста зерна структуры не наблюдается, так как поверхность детали не успевает нагреваться до температуры рекристаллизации. Таким образом, на указанных режимах, обеспечивающих рост зерна структуры обрабатываемого материала, происходит изменение линейных размеров обрабатываемой детали.

Основной недостаток данного способа заключается в высокой себестоимости лазерных установок и оптических систем управления лазерным излучением, в сложности реализации процесса на поверхностях сложной геометрической формы. Так, например, при наличии канавок на цилиндрической поверхности или ребер, или в случае пластической деформации отдельных локальных участков поверхности, приходится прибегать к сложной системе сканирования лазерного луча, что может существенно удорожать процесс восстановления формы изделий.

Кроме того, формирование лазерного пучка определенных размеров обеспечивает лишь точечное энергетическое воздействие на поверхность, что требует создания сложной системы сканирования излучения по поверхности воздействия с обеспечением перекрытия пятен обработки, что определяется соотношением шага обработки и диаметра зоны лазерного воздействия.

В процессе поверхностной обработки изделий лазерным лучом существенное влияние оказывает состав окружающей газовой среды. При высокой температуре происходит химическое взаимодействие поверхности металла с окружающей средой, при этом особое значение имеют два протекающих процесса: обезуглероживание стали, связанное с выгоранием углерода в поверхностных слоях, и окисление поверхности, ведущее к образованию окалины и окислов, что в ряде случаев недопустимо.

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности изделий, обеспечивающего простоту и высокую производительность процесса, качество получаемых изделий за счет устранения процессов обезуглероживания и окисления, и способствующего расширению номенклатуры обрабатываемых изделий за счет обработки изделий сложных геометрических форм.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности, включающем поверхностный нагрев слоя изделия локально-концентрированным источником энергии с последующим охлаждением за счет отвода тепла в тело изделия, нагрев поверхностного слоя изделия проводят в вакууме за счет энергии, локализованной в перемещающихся по поверхности изделия катодных пятнах вакуумно-дугового разряда, горящего между изделием, являющимся катодом, и анодом.

Использование в качестве источника теплового воздействия на обрабатываемую поверхность энергии перемещающихся катодных пятен вакуумно-дугового разряда обеспечивает:

- упрощение процесса восстановления поверхности и снижение себестоимости обработки;

- протекание процесса восстановления в вакууме при давлении от сотен паскаль до сколь угодно высокого вакуума, что исключает процессы обезуглероживания и окисления;

- повышение производительности процесса за счет высокой скорости перемещения катодных пятен;

- обработку поверхности сложной геометрической формы.

Изложенная сущность изобретения поясняется чертежами: фиг. 1 - схема технологической установки для реализации способа с вакуумной камерой; фиг. 2 - схема технологической установки для реализации способа без вакуумной камеры; фиг. 3 - фотографии воздействия катодного пятна на поверхность изделия (разряд на поверхности катода); фиг. 4 - фотографии буксы грузового железнодорожного вагона: а - букса с деформированной внутренней поверхностью; б - букса с восстановленной внутренней поверхностью; фиг. 5 - зависимость внутреннего диаметра партии букс до и после восстановления.

Восстановление изношенной внутренней цилиндрической поверхности проводят в технологической установке, представленной на фиг. 1 и состоящей из вакуумной камеры 1, откачной системы 2, восстанавливаемого изделия (катода) 3, анода 4, источника питания дугового разряда 5 и инициирующего электрода 6.

Восстанавливаемое изделие 3 с изношенной внутренней цилиндрической поверхностью размещают в вакуумной камере 1. Для реализации предлагаемого способа восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности в рабочем объеме камеры 1 с помощью откачной системы 2 достигают необходимой степени разрежения. Отрицательный полюс источника питания 5 подключают к цилиндрическому изделию 3, положительный полюс - к аноду 4. С помощью инициирующего электрода 6 на внутренней цилиндрической поверхности изделия 3 возбуждается вакуумно-дуговой разряд, существующий в перемещающихся по поверхности катодных пятнах. Разряд горит между изделием (катодом) 3 и анодом 4, который, например, вращается вдоль внутренней цилиндрической поверхности, как изображено на фиг. 1.

В ряде случаев можно обойтись и без вакуумной камеры. В качестве вакуумной камеры может быть само изделие с внутренней цилиндрической поверхностью (фиг. 2). В данном случае цилиндрическое изделие 1 с торцов герметично закрывают заглушками 2 с герметизацией, например, вакуумными резиновыми прокладками, которые, кроме того, могут электрически изолировать цилиндрическое изделие 1 от заглушек 2. Через отверстие в заглушке с помощью откачной системы 3 откачивают воздух из внутренней цилиндрической полости до необходимого давления. В качестве анода на Фиг. 2 использован диск 4, который возвратно-поступательно перемещают вдоль цилиндрической поверхности. Отрицательный полюс источника питания 5 подключают к цилиндрическому изделию 1, положительный полюс - к аноду 4. Вакуумно-дуговой разряд зажигается с помощью инициирующего электрода 6. Разряд горит между изделием (катодом) 1 и анодом 4.

Вакуумно-дуговой разряд на рабочей поверхности катода возникает и развивается в парах испаряемого материала катода и существует в перемещающихся по поверхности катода катодных пятнах. Данный тип разряда относится к вакуумно-дуговому разряду с интегрально-холодным катодом. В этом случае эмиссионным центром разряда является катодное пятно (Фиг. 3), характеризующееся высокой скоростью перемещения до 100 м/с, малыми геометрическими размерами, в среднем от единиц до сотен микрометров, в котором выделяющаяся мощность достигает значений 109 Вт/м2, что и обусловливает его интенсивное тепловое воздействие на материал катода.

Фотографирование горящей вакуумной дуги и анализ следов катодных пятен показали, что движение катодных пятен носит прерывистый характер: некоторое время пятно остается на одном месте, а затем перепрыгивает на новый участок поверхности, отстоящий от первоначального на один-два радиуса пятна. Плотность тока в катодных пятнах имеет порядок 108-109 А/см2. Для обеспечения таких высоких плотностей тока электрическое поле на поверхности катода должно быть на уровне Е~108 В/см. В катодном пятне вакуумной дуги это поле создается ионами, образовавшимися из испарившихся атомов, поэтому температура катода в пятне должна быть достаточно высока. Так, при плотности тока j~108 А/см2 плотность ионного тока должна быть на уровне 107 А/см2. В этом случае температура в катодном пятне превышает температуру кипения материала катода. Область, разогреваемая катодным пятном на рабочей поверхности катода, превышает размеры самого катодного пятна. Уровень мощности, выделяющейся на катоде, определяется катодным падением напряжения, близким по значению к потенциалу ионизации металла, и величиной разрядного тока.

Нагретые участки металла в зоне катодного пятна стремятся расшириться, но этому препятствуют более холодные участки цилиндра, поэтому расширение металла происходит вовнутрь цилиндра, что в свою очередь приводит к уменьшению диаметра внутренней цилиндрической поверхности. Охлаждение металла после ухода катодного пятна из заданной точки осуществляется, в основном, путем отвода тепла в тело металла.

За счет высокой скорости перемещения катодных пятен и условий существования разряда последний охватывает всю поверхность и обеспечивает равномерное воздействие на обрабатываемое изделие. Управление движением катодных пятен по заданной поверхности может осуществляться за счет взаимного перемещения обрабатываемого изделия (катода) и анода. Разряд можно локализовать в определенной зоне поверхности изделия, остановив перемещение анода над данной зоной, и восстанавливать изношенную поверхность только под поверхностью анода.

Предлагаемый способ был реализован для восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности буксы грузового железнодорожного вагона (фиг. 4) с диаметром приблизительно 250 мм и высотой приблизительно 250 мм. При воздействии подшипников, находящихся внутри буксы, на поверхность буксы, преимущественно при ускорении и торможении вагонов, а также при ударах о поверхность при прохождении стыков рельс, происходит пластическое деформирование внутренней цилиндрической поверхности буксы и, следовательно, увеличение внутреннего ее диаметра. Увеличение диаметра буксы выше предельной величины приводит к ее браковке, снятию с тележки вагона и утилизации.

Восстановление изношенной внутренней поверхности буксы осуществлялось как с использованием устройства для реализации предлагаемого способа, изображенного на фиг. 1, так и с использованием устройства, изображенного на фиг. 2.

Реализация предлагаемого способа восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности буксы с использованием устройства, изображенного на фиг. 1, осуществлялась следующим образом. Букса 3 устанавливалась в вакуумную камеру 1 технологической установки. Внутри буксы на определенном расстоянии устанавливался вращающийся вдоль ее внутренней поверхности анод 4. К буксе 3, являющейся катодом, подсоединялся минус источника питания 5, в качестве которого использовался сварочный выпрямитель. Плюс источника питания 5 подключался к вращающемуся аноду 4. После закрытия дверцы вакуумной камеры с помощью откачной системы 2 из нее откачивался воздух до необходимого давления. После этого включался источник питания 5 и на электроды 3 и 4 подавалось напряжение. С помощью инициирующего электрода 6 на внутренней цилиндрической поверхности изделия (буксы) 3 возбуждается вакуумно-дуговой разряд, горящий между внутренней цилиндрической поверхностью буксы, являющейся катодом 3, и анодом 4. Привязка разряда к поверхности катода 3 осуществлялась в виде катодных пятен вакуумной дуги, перемещающихся по внутренней цилиндрической поверхности буксы под поверхностью анода 4. После зажигания разряда включалось вращение анода 4. Анод вращался со скоростью 2 оборота в минуту. При вращении анода 4 зона горения разряда на катоде 3 смещалась в сторону вращения анода 4 и следовала за анодом 4. Степень восстановления изношенной поверхности буксы в основном определялась током дуги и количеством оборотов вращения анода 4 за время процесса восстановления поверхности, или скоростью его вращения.

Реализация предлагаемого способа восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности буксы с использованием устройства, изображенного на фиг. 2, осуществлялась следующим образом. Букса 1 (катод) нижней торцевой поверхностью устанавливается на кольцевую резиновую прокладку нижней заглушки 2, а на верхнюю торцевую поверхность буксы через резиновую кольцевую прокладку накладывается аналогичная верхняя заглушка 2. Через нижнюю заглушку 2 с помощью откачной системы 3 из внутренней полости буксы 1 откачивается воздух до необходимого давления. Таким образом, в данном случае роль вакуумной камеры выполняла сама букса, что значительно ускоряло и удешевляло процесс восстановления. Вдоль внутренней поверхности буксы возвратно-поступательно движется кольцевой электрод 4, являющийся анодом. К буксе 1, являющейся катодом, подсоединялся минус источника питания 5, в качестве которого использовался сварочный выпрямитель. Плюс источника питания 5 подключается к движущемуся вдоль поверхности катода 1 вверх и вниз аноду 4. После откачки воздуха внутри буксы 1 до заданного давления включается источник питания 5, и на электроды 1 и 4 подается напряжение. С помощью инициирующего электрода 6 на внутренней цилиндрической поверхности изделия (буксы) 1 возбуждается вакуумно-дуговой разряд, горящий между внутренней цилиндрической поверхностью буксы 1, являющейся катодом, и анодом 4. Привязка разряда к поверхности катода 1 осуществляется в виде катодных пятен вакуумной дуги, перемещающихся по поверхности буксы под боковой поверхностью анода 4. После зажигания разряда включается возвратно-поступательное движение анода 4. Движение анода 4 от нижней заглушки до верхней и обратно осуществлялось за 1 минуту. При движении анода 4 зона горения разряда на катоде 1 смещается в сторону движения анода 4 и следует за анодом 4. Степень восстановления изношенной внутренней поверхности буксы в основном определяется током дуги и количеством проходов анода 4 снизу доверху и обратно за время процесса восстановления поверхности.

Результат восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности корпуса буксы грузового железнодорожного вагона можно наблюдать из графиков, представленных на фиг 5. Восстановление осуществлялось по предлагаемому способу с использование устройства, представленного на фиг. 2. Представлен результат исследования 191 буксы. Отбирались буксы с износом по внутреннему диаметру. Буксы с внутренним диаметром 250,2 мм и более бракуются и не используются для дальнейшей эксплуатации. Верхний график соответствует буксам до восстановления, нижний - после восстановления. Начиная с буксы №115 ток вакуумно-дугового разряда был увеличен в 1,5 раза - со 200 А до 300 А. Это привело к заметному снижению внутреннего диаметра корпуса букс, т.е. к более существенному восстановлению изношенной внутренней цилиндрической поверхности. При этом длительность всего цикла процесса восстановления внутренней поверхности корпуса буксы вместе с процессом откачки не превышала 5 минут.

Таким образом, источником локально-концентрированной энергии для восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности является вакуумно-дуговой разряд, локализованный в катодных пятнах, перемещающихся по изношенной поверхности, и горящий между изделием, являющимся катодом, и анодом.

Способ восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности изделия, преимущественно со сложной геометрической формой, включающий нагрев поверхностного слоя изделия локально-концентрированным источником энергии с последующим охлаждением путем отвода тепла в тело изделия, отличающийся тем, что нагрев поверхностного слоя изделия осуществляют в вакууме, а в качестве локально-концентрированного источника энергии используют вакуумно-дуговой разряд с обеспечением образования катодного пятна, перемещаемого по внутренней цилиндрической поверхности изделия со скоростью до 100 м/с.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к области обработки металлов резанием, и может быть использовано в трубном производстве. В способе операцию точения выполняют без разборки клети в два этапа, на первом этапе последовательно точат все дисковые ножи каждого ряда по периферии, на втором этапе производят подрезание торцов дисковых ножей, обеспечивающее точные расстояния между соседними ножами и заданное осевое смещение верхних ножей относительно нижних, при этом на всех этапах точение рабочих поверхностей ножей выполняют от режущих кромок с глубиной черновых переходов 0,1 мм, получистовых - 0,07 мм, чистовых - 0,03 мм, подачей 0,03-0,05 мм/об и скоростью резания 70-100 м/мин, а перед чистовой обработкой резцовые вставки заменяют на новые, Точение осуществляют резцами из сверхтвердых материалов на основе нитрида бора.

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения и ремонта машин, в частности к восстановлению и одновременному упрочнению плужных отвалов. Способ включает удаление изношенной части отвала, изготовление компенсирующей износ профильной вставки, ее приваривание с рабочей стороны поверхности отвала и наплавку в области восстановления армирующих валиков из износостойкого материала с выходом их в зону ожидаемого лучевидного износа отвала.

Изобретение относится к сварочным материалам и может быть использовано при наплавке под флюсом для восстановления изношенных деталей и получения износостойкого защитного покрытия на деталях горнорудного оборудования, работающего в условиях абразивного износа.

Изобретение относится к способу восстановления частично удаленного упрочненного ионным азотированием слоя стальной детали. Проводят электроэрозионное легирование графитовым электродом (ЦЭЭЛ) с энергией разряда, при которой зона термического влияния при легировании не превышает толщины остатка поверхностного слоя стальной детали, упрочненного упомянутым ионным азотированием.

Изобретение относится к инструменту для поворота частей вкладыша подшипникового узла, содержащего вкладыш, разделенный по меньшей мере на две части. Инструмент содержит приспособление, предназначенное для воздействия на одну из указанных по меньшей мере двух частей вкладыша и ее поворота и для поворота всех частей вкладыша подшипникового узла.

Изобретение относится к области металлургии, нефтяного машиностроения и ремонта подземного оборудования нефтяных скважин и может быть использовано для изготовления и ремонта (восстановления) насосно-компрессорных труб (НКТ).

Изобретение относится к восстановлению и ремонту приспособлений для закатки стеклянных банок жестяными крышками в домашних условиях. В месте облома вала на наружной поверхности неметаллического диска выполняют сквозное осевое отверстие диаметром не менее диаметра отверстия проушины поводка и диаметра отверстия на рукоятке.

Изобретение относится к способу восстановления бандажных полок лопаток компрессора газотурбинных двигателей (ГТД). Определяют линии ремонтного среза бандажных полок.

Изобретение относится к способу и устройству для защиты от коррозионного растрескивания сварной металлоконструкции. Способ включает заваривание приповерхностных трещин путем пошагового воздействия импульсом тока в зоне растягивающих остаточных сварочных напряжений и обжатие упомянутой зоны динамическими ударами.

Изобретение относится к способу восстановления изношенных рабочих органов почвообрабатывающих машин, имеющих лучевидный износ. Осуществляют двухслойную наплавку материалов различной твердости вдоль оси лучевидного износа.

Изобретение относится к области электрофизических методов обработки материалов, в частности к электроискровому легированию, и может быть использовано для получения износостойких покрытий на деталях узлов трения и неподвижных соединений.

Изобретение относится к области электроэрозионной обработки и может быть использовано в устройствах генераторов рабочих импульсов. Генератор содержит блок управления технологическим током, блок секций маломощных ключей, блоки секций силовых ключей и блок управления функциональными блоками, выходы которого соединены с входом блока управления технологическим током, блоком секций маломощных ключей и блоками секций силовых ключей.

Изобретение относится к электроэрозионной обработке и может быть использовано в конструкциях генераторов рабочих импульсов для электроэрозионного станка. Генератор содержит последовательно соединенные задающую схему управления для выработки последовательных импульсов, импульсный трансформатор и корректирующую цепь, выполненную в виде последовательно включенных постоянного резистора и активного элемента с управляемой проводимостью в виде транзистора, параллельно которым подключена индуктивность, при этом один из концов вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с одним из концов корректирующей цепи, которые выполнены с возможностью подключения к электроэрозионному электроду, а другие концы упомянутых вторичной обмотки и корректирующей цепи подключены к заземлению.

Изобретение относится к импульсным источникам питания для электрохимической обработки. .

Изобретение относится к электроэрозионной обработке, в частности к генерации рабочих импульсов для электроэрозионного станка. .

Изобретение относится к области прецизионной электрохимической обработки металлов и сплавов на станках с вибрирующим электродом и импульсным током и может быть использовано для получения сложнофасонных поверхностей деталей машин, в частности ручьев штампов, пресс-форм и литейных форм с высокой производительностью, точностью и качеством обработки.

Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки, в частности к устройствам защиты электродов от коротких замыканий при импульсно-циклической электрохимической обработке.

Изобретение относится к способу восстановления элемента турбомашины. Способ включает следующие этапы: настройку (50) установки для лазерного плакирования; подготовку (11) подлежащей восстановлению части элемента турбомашины путем удаления поврежденного объема элемента; поворот элемента турбомашины относительно установки для лазерного плакирования; восстановление (12) поврежденного объема с помощью лазерного плакирования для получения восстановленного объема в поврежденном элементе; применение (13) термической обработки к восстановленному объему элемента турбомашины; выполнение (14) чистовой обработки поверхности восстановленного объема и неразрушающее тестирование (15) восстановленного объема. На этапе настройки (50) установки для лазерного плакирования также выполняют несколько подэтапов задания параметров для управления указанной фазой восстановления. 11 з.п. ф-лы, 12 ил.
Наверх