СТЕНД ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Полезная модель относится к области технологии машиностроения, более конкретно, к устройствам для восстановления деталей машин методами порошковой металлургии и может найти применение при создании стендовых систем для отработки процесса восстановления изношенных внутренних и наружных поверхностей, в частности, бронзовых втулок головок шатунов двигателей внутреннего сгорания, опорных катков тракторов, роликов гусеничной тележки экскаваторов, втулок масляных насосов, вкладышей сельскохозяйственных машин и др.
Известно устройство для горячего изостатического прессования порошковых материалов, которое может быть использовано для восстановления изношенной поверхности цилиндрических втулок. Известное устройство содержит оправку, ограничивающую рабочий объем, средства для его заполнения порошком требуемого состава и спекания под давлением (см. патент РФ №2245221, БИПМ №3, 2005 г.).
Недостатком известного устройства является сравнительно сложная технология горячего изостатического прессования, требующая наличия высокотемпературного оборудования для статического нагрева порошков под давлением при повышенной точности поддержания режимных параметров, что является ограничением для использования этой технологии при создании соответствующих устройств для отработки режимов горячего прессования при восстановлении деталей машин, в том числе, в условиях ремонтных мастерских удаленных районов агропромышленного комплекса.
Наиболее близким техническим решением, к предложенному, является устройство для электротермического восстановления деталей машин, содержащее машину точечной сварки, между электродами которой установлена восстанавливаемая деталь с оправкой, рабочий объем которой заполнен металлическим порошком, средства контроля и управления (см. патент РФ №62853, зарегистр. в Госреестре 10.05.2007 г. - прототип).
К недостаткам известного устройства следует отнести сложность достижения оптимальных режимов восстановления деталей спеканием металлических порошков из-за большого числа факторов, влияющих на физико-химические и термодинамические параметры процессов спекания частиц порошка и их спекания с восстанавливаемой деталью.
В результате, для достижения приемлемых характеристик восстановленных деталей машин, приходится выполнять достаточно большое число пробных или экспериментальных работ, занимающих много времени, и приводящих к браку дорогостоящих изделий из цветных металлов.
Решаемой задачей является создание сравнительно простого, высокопроизводительного и эффективного в технологическом отношении стенда для электротермического восстановления деталей машин различной конфигурации в полуавтоматическом режиме. Дополнительно решается задача первоначальной отработки контролируемого процесса спекания металлических порошков для указанных деталей с использованием имеющихся на многих предприятиях машин точечной сварки.
Указанная задача решается тем, что в стенде для электротермического восстановления деталей машин, содержащем машину точечной сварки, между электродами которой установлена восстанавливаемая деталь с оправкой, рабочий объем которой заполнен металлическим порошком, средства контроля и управления, согласно полезной модели, в стенке указанной оправки установлены термопары для измерения распределения температуры металлического порошка вдоль поверхности восстанавливаемой детали, между неподвижным и подвижным электродами снаружи оправки установлен динамометр, снабженный ограничителем хода подвижного электрода в виде концевого выключателя, причем кабель вывода термопар соединен через многоканальный усилитель с входом блока управления по температуре, электрический выход концевого выключателя соединен с входом блока управления по давлению, а выход указанного блока управления соединен, через регулятор цикла сварки, с входом тиристорного регулятора мощности силового трансформатора машины точечной сварки
Кроме того, восстанавливаемая деталь может иметь форму втулки или пластины, детали оправки могут быть выполнены из металла и/или графита, а машина точечной сварки МТ-1618 может быть снабжена регулятором цикла сварки РЦС-403 и динамометром ДОС-3-1, причем ограничитель хода подвижного электрода в виде концевого выключателя может быть установлен внутри рамы указанного динамометра.
Такое выполнение устройства позволяет решить указанную задачу создания сравнительно простого и производительного стенда для электротермического восстановления деталей машин самой различной конфигурации, в том числе, за счет первоначальной отработки и контроля параметров процесса спекания металлических порошков с изношенной поверхностью деталей машин заданной номенклатуры.
При этом обеспечивается необходимый уровень и поддержание, найденных в результате отработки режимов оптимальных параметров давления, величины и длительности электрического тока, протекающего через электроды машины точечной сварки и спекаемый металлический порошок
Для оптимизации режимов процесса спекания порошков заданного состава и их спекания с поверхностью соответствующей детали, указанная оправка снабжена термопарами для измерения температуры металлического порошка по поверхности восстанавливаемой детали и динамометром с ограничителем хода подвижного электрода в виде концевого выключателя, которые связаны, в конечном итоге, с регулятором цикла сварки и тиристорным регулятором мощности силового трансформатора машины точечной сварки для поддержания заданного поля температур и давления в слое спекаемого порошка.
На фиг.1 представлена блок-схема предложенного стенда, на фиг.2 - сечение оправки и восстанавливаемой детали в форме втулки.
Стенд для электротермического восстановления деталей машин содержит машину 1 точечной сварки МТ-1618. Между подвижным и неподвижным электродами 2, 3 машины 1 установлена восстанавливаемая деталь 4 в форме втулки с оправкой 5, рабочий объем которой заполнен металлическим порошком 6. Средство контроля и управления параметрами процесса восстановления по температуре включает термопары 7 для измерения распределения температуры металлического порошка вдоль поверхности восстанавливаемой детали 4. Средство контроля и управления параметрами процесса по давлению включает динамометр 8 марки ДОС-3-1, установленный между неподвижным и подвижным электродами снаружи оправки 5 и восстанавливаемой детали 4, причем динамометр 8 снабжен ограничителем хода подвижного электрода 2 в виде концевого выключателя 9, размещенного внутри рамы динамометра 8 для контроля давления электродов 2, 3 на порошок 6.
Указанные термопары 7 и динамометр 8 с концевым выключателем 9 предназначены для регулировки величины и времени протекания электрического тока через электроды 2, 3 и порошок 6 в рабочем объеме между деталью 4 и оправкой 5. При этом кабель вывода термопар 7 соединен через многоканальный усилитель 10 с первым входом блока управления 11 по температуре, а электрический выход концевого выключателя 9 соединен с вторым входом блока управления 11 по давлению. Выход указанного блока управления 11 соединен через регулятор 12 цикла сварки РЦС-403 с входом тиристорного регулятора 13 мощности силового трансформатора 14 машины 1 точечной сварки (педаль ее включения обозначена поз. 15).
Деталь 4, восстанавливаемая с помощью предложенного устройства, может иметь форму втулки, кольца, пластины или иной фигуры с одной или несколькими изношенными поверхностями. На фиг.2 показано увеличенное сечение бронзовой втулки 4 с изношенной наружной поверхностью на толщину 1-2 мм. Цилиндрическая часть оправки 5, охватывающая деталь 4, выполнена в данном случае из конструкционного графита, но может быть изготовлена из стали. Оправка 5 включает также верхнее центрирующее кольцо 16 из конструкционного графита и нижнее стальное центрирующее кольцо 17, установленные по оси восстанавливаемой втулки 4.
Указанные элементы ограничивают рабочий объем между втулкой 4 и оправкой 5, который заполнен металлическим порошком 6 марки БрАЖ-9-4 дисперсностью 50 мкм в количестве, пропорциональном указанному рабочему объему. Верхнее и нижнее центрирующие кольца 16, 17 установлены между электродами 2, 3 машины 1 точечной сварки МТ-1618 для нагрева металлического порошка 6 проходящим электрическим током до температуры спекания в диапазоне 850-950°С. Верхнее центрирующее кольцо 16 оправки 5 установлено с возможностью осевого перемещения на 0,5-3 мм под действием усилия сжатия при смещении подвижного электрода 2 в направлении к электроду 3. Указанное перемещение электрода 2 и кольца 16 обеспечивает необходимое увеличения плотности порошка, соответствующей давлению в рабочем объеме до нескольких МПа.
Указанные деталь 4 и элементы оправки 5 размещены внутри силовой рамы динамометра 8, который, в свою очередь, установлен между подвижным и неподвижным электродами 2, 3, причем динамометр 8 снабжен ограничителем хода подвижного электрода 2 в виде концевого выключателя 9, размещенного также внутри рамы динамометра 8 для контроля давления электродов 2, 3 на порошок 6. В некоторых случаях электрические контакты указанного концевого выключателя могут быть размещены известным образом внутри механического стрелочного указателя давления динамометра для решения указанной выше задачи контроля давления электродов 2, 3 на порошок 6. Для электрической изоляции динамометра 8 от электродов 2, 3 они снабжены изолирующими втулками 18. Снаружи графитовой оправки 5 размещен защитный стальной кожух 19 для защиты оправки 5 от разрушения.
Стенд для электротермического восстановления деталей машин функционирует следующим образом.
Предварительно осуществляют сборку узла, в который входят восстанавливаемая деталь 4, оправка 5 с кожухом 19 и нижним центрирующим кольцом 17. При отсутствии верхнего центрирующего кольца 16 в рабочий объем, то есть в зазор между втулкой 4 и оправкой 5, через воронку засыпают заранее определенное количество порошка 6 марки БрАЖ-9-4 с указанной дисперсностью 50 мкм. Затем устанавливают верхнее центрирующее кольцо 16, которое в данном положении выше плоскости верхнего торца втулки 4 на 1,5-2 мм.
Указанный узел с нижним и верхним центрирующими кольцами 16, 17 устанавливают внутри силовой рамы или скобы динамометра 8 между подвижным и неподвижным электродами 2, 3 машины 1 точечной сварки. Внутри рамы динамометра 8 также закрепляют ограничитель хода подвижного электрода 2 в виде концевого выключателя 9, настроенного на экспериментально найденное значение хода подвижного электрода 2, соответствующее оптимальному давлению на порошок 6. Регулятор настройки (не показан) концевого выключателя 9 может быть выполнен механическим или электронным.
После этого на машине 1 точечной сварки включают механизм привода верхнего подвижного электрода 2, который перемещает вдоль оси верхнее центрирующее кольцо 16, осуществляя сжатие порошка 6 в рабочем объеме до давления около 2 МПа. Количество порошка 6 указанного состава, смещение кольца 16 и приложенное давление от подвижного электрода 2 в результате опытных наработок по восстановлению деталей указанной формы подобраны так, что в конечном положении верхние плоскости кольца 16 и восстанавливаемой втулки 4 практически совпадают, а шток концевого выключателя принимает положение, при котором его контактная группа (не показана) обеспечивает подачу сигнала о достижении оптимального давления в спекаемом порошке 6 на второй вход блока управления для выработки соответствующего сигнала управления на регулятор 12 цикла сварки РЦС-403 и тиристорный регулятор 13 мощности силового трансформатора 14 машины 1 точечной сварки.
Затем машину 1 точечной сварки выводят на режим подачи электрического тока на сварочные электроды 2, 3. Длительность протекания и сила электрического тока предварительно задаются с помощью указанных регулятора 12 цикла сварки и тиристорного регулятора 13. Прохождение заданного электрического тока через электроды 2, 3 должно обеспечить надежное спекание частиц порошка 6 между собой и с поверхностью восстанавливаемой детали 4. Характер тепловыделения при спекании порошка с деталью зависит от ряда физических факторов и геометрических характеристик детали и оправки.
Электрический ток проходит между электродами 2, 3 через верхнее центрирующее кольцо 16, графитовую оправку 5, порошок 6, втулку 4 и нижнее центрирующее кольцо 17. Суммарное выделение тепла от прохождения тока в указанных элементах приводит в результате к нагреву порошка 6 до требуемых температур в диапазоне 850-950°С, спеканию его частиц между собой и с наружной стенкой восстанавливаемой втулки 4. Точный теоретический расчет температурного поля по высоте и сечению втулки 4, оправки 5 и порошка 6 является достаточно сложной задачей, зависящей от множества параметров. Экспериментально установлено, что характерное время спекания в данных условиях составляет от десятков сек до единиц мин.
В предложенном устройстве необходимое распределение температуры порошка 6 вдоль слоя контролируется термопарами 7, сигналы от которых после преобразования в многоканальном усилителе 10 поступают на первый вход блока управления 11 и через регулятор цикла сварки 12 на вход тиристорного регулятора 13 для дополнительного управления выходной мощностью силового трансформатора 11 в функции температуры спекаемого порошка. Распределение температуры порошка вдоль восстанавливаемой детали может быть отражено на пульте управления стенда с помощью соответствующих средств отображения (не показаны).
Для примера укажем параметры стендовых испытаний по восстановлению изношенной внутренней поверхности бронзовой втулки верхней головки шатуна двигателя Д - 160, имеющей высоту 35 мм, наружный диаметр 33 мм и внутренний диаметр около 28 мм. При указанных размерах втулки для слоя порошка бронзы БрАЖ-9-4 толщиной около 1,5 мм электрический ток не должен быть ниже 12,5 кА из-за недостаточного нагрева его частиц и не должен превышать 14 кА по причине возможной эрозии поверхностей втулки. Качественное спекание частиц порошка между собой и их напекание на восстанавливаемую поверхность втулки в этих условиях обеспечивалось в диапазоне давлений от 0,5 до 13 МПа за счет контролируемого усилия от опрессовочных электродов 2, 3 машины 1 точечной сварки МТ-1618 на верхнее 16 и нижнее 17 центрирующие кольца оправки 5 в пределах, регламентируемых показаниями динамометра 8 и хода штока концевого выключателя 9.
Известно, что затраты на восстановление изношенных деталей, таких как втулки шатунов ДВС, опорных катков тракторов, роликов гусеничной тележки экскаваторов, втулок масляных насосов сельскохозяйственных машин и др. значительно ниже затрат на изготовление новых изделий, которые зачастую невозможно заказать или приобрести.
Особенно это относится к деталям, изготовленным из достаточно дорогих и дефицитных металлов и сплавов. В предложенном стенде для отработки процесса восстановления деталей машин различной номенклатуры и состава используется полуавтоматический метод электротермического спекания частиц металлических порошков между собой и их напекания на поверхность деталей, позволяющий получить восстановленный слой с требуемыми характеристиками, не подвергая восстанавливаемую деталь расплавлению и перегреву. При этом физикомеханические свойства исходных порошков и свойства спеченных порошков в нанесенном покрытии сохраняются практически без изменения, что обеспечивает высокое качество указанных деталей после чистовой обработки восстановленной поверхности.
Стабильность механических характеристик и гарантированный химический состав получаемого покрытия на внутренней поверхности восстанавливаемых деталей машин обеспечивают перспективу широкого внедрения стенда для восстановления внутренних и наружных изношенных поверхностей дефицитных бронзовых втулок самого различного назначения в системе агропромышленного комплекса при минимальных затратах на материалы и потребляемую электроэнергию. При это количество ручных настроечных операций при восстановлении, например, бронзовых втулок верхних головок шатунов двигателей Д - 160 в предложенном стенде, по сравнению с их восстановлением в известных устройствах или по сравнению с заводским изготовлением снижается в 5-8 раз, а расход материалов в 10-20 раз и более.
Эксплуатация предложенного стенда для электротермического восстановления деталей машин осуществляется в благоприятных для рабочих условиях, в том числе, на базе стандартных ремонтных мастерских. Предложенный стенд разработан на экспериментальной базе МГАУ им. Горячкина В.П. для отработки процессов восстановления деталей машин различной номенклатуры сельскохозяйственной и мелиоративной техники с использованием разных типов порошков в полуавтоматическом режиме, который резко повышает производительность процесса и качество восстановленных деталей.