Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗНОШЕННОЙ ВНУТРЕННЕЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

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 d_л=3-4 мм, и скорости его перемещения относительно детали V_л=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 d_л=3-4 мм скорость обработки составляет V_л=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.