Проектирование автоматизированной установки для наплавки конических поверхностей: Технологические основы, расчеты и контроль качества

Износ конических деталей – одна из наиболее распространенных проблем в машиностроении, затрагивающая подшипниковые узлы, валы, шпиндели, клапаны и другие элементы, подверженные абразивному, коррозионному или эрозионному воздействию. Восстановление таких компонентов имеет решающее значение для продления срока службы оборудования, снижения эксплуатационных расходов и минимизации простоев производства. В этом контексте автоматизированная наплавка выступает как высокоэффективный и экономически целесообразный метод, позволяющий не только восстановить изношенную геометрию, но и значительно улучшить эксплуатационные характеристики поверхности за счет нанесения специализированных износостойких или коррозионностойких покрытий.

Данная курсовая работа посвящена разработке и всестороннему анализу установки для автоматизированной наплавки поверхности конусов в нижнем положении с постоянной скоростью. В рамках работы будут детально рассмотрены теоретические основы процесса наплавки под флюсом, проанализировано влияние ключевых технологических параметров на качество наплавленного слоя, предложены оптимальные конструктивные решения для установки, обоснован выбор материалов и оборудования, а также представлены методики расчета основных параметров и комплексный подход к контролю качества наплавленного слоя. Конечная цель – предоставить исчерпывающий инженерный проект, способный стать основой для практической реализации высокоэффективного процесса восстановления конических деталей.

Теоретические основы электродуговой наплавки под флюсом

Сущность и основные принципы процесса

Наплавка под флюсом – это технологический процесс, основанный на принципах электродуговой сварки, при котором горение электрической дуги происходит полностью скрыто под слоем гранулированного сварочного флюса. Этот метод отличается высокой производительностью и стабильностью, благодаря уникальной роли флюса в формировании качественного наплавленного слоя.

В момент зажигания дуги, под воздействием ее высокой температуры, происходит плавление электродной проволоки, части основного металла заготовки и непосредственно самого флюса, попадающего в зону горения. В результате этого образуется так называемый «флюсовый свод» – полость, заполненная парами металла, флюса и газами, давление которых поддерживает этот свод над сварочной ванной.

Ключевая функция флюса – комплексная защита расплавленного металла сварочной ванны от негативного воздействия атмосферного воздуха, а именно от кислорода и азота. Однако его роль этим не ограничивается. Флюс активно участвует в физико-химических процессах, обеспечивая:

• Стабилизацию горения дуги: Ионизация компонентов флюса значительно повышает стабильность электрической дуги, делая процесс более равномерным и управляемым. Фториды, часто входящие в состав флюсов, играют здесь особую роль, способствуя образованию легкоотделяемых шлаков и стабильному горению, что обеспечивает предсказуемость результата.
• Раскисление и рафинирование: Флюс растворяет оксиды, образующиеся в сварочной ванне, способствуя их переходу в шлак. Это улучшает чистоту наплавленного металла, снижает пористость и включения, а также способствует выведению вредных примесей, таких как сера, повышая таким образом качество сплава.
• Легирование: В состав флюса могут быть введены легирующие добавки (например, ферросплавы, металлические порошки). При плавлении флюса эти элементы переходят в расплавленный металл, обеспечивая необходимый химический состав наплавленного слоя и придавая ему заданные эксплуатационные свойства, такие как коррозионная стойкость, твердость или износостойкость, что открывает широкие возможности для кастомизации.

Расплавленный флюс, имея значительно меньшую плотность, чем расплавленный металл, всплывает на поверхность сварочной ванны, образуя плотную шлаковую корку. Эта корка не только защищает наплавленный металл и околошовную зону от воздействия воздуха, но и замедляет процесс охлаждения. Замедленное охлаждение, в свою очередь, облегчает всплытие на поверхность шлаковых включений и растворенных газов, что существенно повышает плотность и качество наплавленного слоя, способствуя формированию мелкозернистой структуры.

Преимущества и недостатки метода

Электродуговая наплавка под флюсом приобрела широкое распространение в промышленности благодаря своим многочисленным достоинствам, однако, как и любой технологический процесс, она не лишена определенных недостатков. Очевидно, что понимание этих аспектов критично для принятия взвешенных инженерных решений.

Основные преимущества:

1. Высокая производительность: Этот метод позволяет использовать значительно большие сварочные токи по сравнению с ручной дуговой сваркой, что приводит к увеличению скорости наплавки и, как следствие, повышению производительности. Коэффициент наплавки при сварке под флюсом составляет 14-18 г/(А·ч) (против 8-12 г/(А·ч) для ручной сварки электродами), а в некоторых случаях может достигать 30 г/(А·ч). Это позволяет увеличить производительность в 5-15 раз.
2. Возможность автоматизации: Процесс легко поддается механизации и полной автоматизации, что обеспечивает стабильность параметров режима, повторяемость результатов и снижение влияния человеческого фактора.
3. Высокое качество наплавленного металла: Защита сварочной ванны флюсом предотвращает взаимодействие расплава с кислородом, водородом и азотом воздуха. Замедленное охлаждение под шлаковой коркой способствует дегазации и всплытию неметаллических включений, что приводит к получению плотного, однородного наплавленного слоя с хорошими механическими свойствами и минимальным количеством дефектов.
4. Улучшение условий труда: Флюсовый слой экранирует электрическую дугу, делая ее невидимой. Это значительно снижает интенсивность светового и теплового излучения, улучшая условия работы оператора и снижая риск профессиональных заболеваний.
5. Широкие возможности регулирования свойств: Путем подбора состава флюса и электродной проволоки можно целенаправленно легировать наплавленный металл, придавая ему заданные характеристики, такие как высокая твердость, износостойкость, коррозионная стойкость или усталостная прочность.
6. Экономичность: Высокая производительность и низкий расход материалов (за счет минимального разбрызгивания) делают метод экономически выгодным для массового производства и восстановления крупногабаритных деталей.

Недостатки метода:

1. Значительный нагрев детали: Высокие сварочные токи и большие объемы расплавленного металла приводят к значительному тепловому вводу в деталь. Это может вызывать существенные остаточные напряжения и деформации, требующие последующей термической обработки для их снятия и восстановления геометрической точности.
2. Ограничения по диаметру: Наплавка деталей малого диаметра (менее 40-60 мм) затруднена из-за стекания жидкого металла и расплавленного флюса под действием силы тяжести и поверхностного натяжения.
3. Трудности удаления шлаковой корки: В некоторых случаях шлаковая корка может быть прочной и трудноотделимой, что требует дополнительных операций по ее удалению, увеличивая трудоемкость процесса.
4. Образование пыли и вредных газов: Несмотря на экранирование дуги, при наплавке под флюсом образуется сварочный аэрозоль, содержащий оксиды железа (до 80%), марганца (до 12%), диоксид кремния (до 8%), а также вредные газы, такие как оксид углерода (до 400 мг/м³ при использовании керамических флюсов без вентиляции) и фтористые соединения (фтористый водород до 1,7 мг/м³). Это требует эффективной системы вытяжной вентиляции и средств индивидуальной защиты для обеспечения безопасности труда.
5. Большая зона термического влияния (ЗТВ): Интенсивный нагрев приводит к формированию более широкой ЗТВ по сравнению с другими методами сварки. В этой зоне могут происходить нежелательные структурные изменения в основном металле, влияющие на его механические свойства.

Анализ параметров режима наплавки и их влияние на качество наплавленного слоя

Качество и свойства наплавленного слоя определяются сложным взаимодействием множества технологических параметров. Для наплавки конических поверхностей крайне важно понимать, как каждый из этих параметров влияет на геометрию валика, глубину проплавления, смешивание с основным металлом и, как следствие, на конечные механические характеристики.

Сварочный ток и напряжение дуги

Сварочный ток (I_св) является одним из наиболее влиятельных параметров, определяющих глубину проплавления основного металла и общую производительность процесса. Зависимость здесь почти линейная: с увеличением силы сварочного тока возрастает глубина проплавления, что приводит к увеличению объема жидкой сварочной ванны. Это, в свою очередь, ведет к увеличению высоты наплавляемого валика, при этом его ширина изменяется незначительно.

Например, для электрода диаметром 3 мм допустимая плотность тока может составлять около 75 А/мм². Если же уменьшить диаметр электрода при сохранении того же тока, плотность тока резко возрастет, что позволяет получить более глубокое, но при этом более узкое проплавление. Для наплавки под флюсом рекомендуется использовать высокие значения плотности тока в электродной проволоке (α ≥ 40-50 А/мм²) для более глубокого проплавления, или снижать ее (α ≤ 30-40 А/мм²) для уменьшения глубины проплавления, что особенно важно при работе с тонкими стенками или при необходимости минимизации разбавления.

Напряжение дуги (U_д), в отличие от тока, оказывает основное влияние на ширину наплавляемого валика, а глубина проплавления остается относительно стабильной. Увеличение напряжения дуги (при неизменных токе и скорости перемещения) приводит к расширению валика. Высокое напряжение дуги формирует низкий и широкий валик, тогда как низкое – высокий и узкий.

Выбор оптимального напряжения дуги критичен для стабильности процесса и качества шва. Для наплавки деталей обычно рекомендуются значения в пределах 26-36 В. При низком напряжении дуга может быть неустойчивой, а при слишком высоком – теряется контроль над формой валика, и ухудшается стабильность горения дуги. Приведем зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока для флюса АН-348А:

• 180-300 А: 32-34 В
• 300-400 А: 34-36 В
• 500-600 А: 36-40 В
• 600-700 А: 38-40 В
• 700-850 А: 40-42 В
• 850-1000 А: 41-43 В

Скорость наплавки и скорость подачи электродной проволоки

Скорость наплавки (V_св) определяет время воздействия дуги на металл, что напрямую влияет на формирование валика и тепловой баланс. С увеличением скорости наплавки ширина наплавляемого валика уменьшается, а глубина проплавления изменяется незначительно. Слишком высокая скорость может привести к неполноценному формированию шва, пористости и плохой смачиваемости. Скорость наплавки ограничена размером сварочной ванны и скоростью ее кристаллизации, обычно она выбирается в диапазоне 15-45 м/ч. Для конических поверхностей поддержание постоянной линейной скорости наплавки по образующей требует сложной координации вращения детали и перемещения горелки, что может быть достигнуто только при использовании современных систем управления.

Скорость подачи электродной проволоки (V_под) напрямую связана с производительностью процесса и тепловым вводом. Чем выше скорость подачи, тем больше присадочного металла вводится в сварочную ванну, что увеличивает тепловой ввод и, как правило, приводит к более глубокому проплавлению. Правильно подобранная скорость подачи проволоки обеспечивает гладкий, равномерный и хорошо сформированный сварной валик. Она выбирается в зависимости от силы тока, диаметра электродной проволоки и диаметра наплавляемой детали, обычно в пределах 80-300 м/ч. Слишком низкая скорость может вызвать нестабильность дуги и недостаточный объем наплавленного металла, а слишком высокая – привести к прожогу или образованию крупных наплывов.

Полярность, вылет электрода и шаг наплавки

Полярность сварочного тока играет существенную роль в распределении теплоты в дуге, влияя на глубину проплавления. При сварке на постоянном токе обратной полярности (плюс на проволоке, минус на детали) глубина проплавления на 40-50% меньше, чем при прямой полярности. Это объясняется более высокой температурой на аноде (проволоке) по сравнению с катодом (деталью). Для наплавки под флюсом чаще всего применяют обратную полярность, так как она позволяет минимизировать разбавление наплавленного металла основным, что особенно важно для получения заданных химических и механических свойств наплавленного слоя.

Вылет электрода – это расстояние от токоподводящего наконечника до конца электродной проволоки. Он влияет на электрическое сопротивление участка проволоки, что, в свою очередь, сказывается на ее нагреве и скорости плавления. Оптимальный вылет электрода выбирается в зависимости от его диаметра и требуемой глубины проплавления:

• Для проволоки диаметром 1,2-1,5 мм: 10-20 мм
• Для проволоки диаметром 1,6-2,0 мм: 20-25 мм
• При использовании стальной ленты: 30-35 мм

Неправильный вылет может привести к нестабильности дуги, перегреву или недогреву проволоки, а также к изменению формы и качества наплавленного валика.

Шаг наплавки – это расстояние между осями соседних наплавленных валиков. Для цилиндрических и конических поверхностей он устанавливается таким образом, чтобы смежные валики перекрывались примерно на ¹⁄₃ — ¹⁄₂ ширины. Это обеспечивает полное покрытие поверхности без пропусков и позволяет получить равномерный наплавленный слой с плавными переходами между валиками. Точный выбор шага наплавки критичен для формирования однородного покрытия и достижения требуемой толщины слоя.

Обзор типовых установок и разработка конструктивных решений для наплавки конусов

Анализ существующих установок для наплавки тел вращения

Автоматизированные установки для наплавки тел вращения представляют собой специализированные комплексы, предназначенные для восстановления и упрочнения внешних и внутренних поверхностей цилиндрических, конических и других деталей сложной формы. Их основная цель – вернуть изношенным компонентам первоначальные размеры, а также повысить их эксплуатационные характеристики, такие как прочность, износостойкость и коррозионная стойкость. Современные установки позволяют наплавлять внутренние диаметры от 0,12 м до 1,5 м и наружные диаметры до 15 м. В некоторых синергетических процессах наплавки короткой дугой с малым тепловложением возможно работать с диаметрами от 15 до 60 мм.

Типовая комплектность такой установки для наплавки валов обычно включает:

1. Станина: Основание, обеспечивающее жесткость и устойчивость всей конструкции.
2. Вращатель: Механизм для вращения наплавляемой детали, который может быть реализован в виде роликовых опор, планшайбы, патрона или задней опоры с центром. Он обеспечивает необходимую окружную скорость.
3. Устройство продольной подачи электрода (сварочная головка): Механизм, перемещающий сварочную горелку вдоль оси вращения детали, обеспечивая продольную скорость наплавки.
4. Сварочный аппарат: Источник питания для дуги (генератор, выпрямитель, инвертор).
5. Система автоматизации и управления: Комплекс, обеспечивающий координацию движений, управление параметрами наплавки и мониторинг процесса.

Часто для наплавки цилиндрических деталей используются переоборудованные токарные станки, оснащенные сварочной головкой и системой подачи флюса. Наплавка на таких установках, как правило, выполняется по спирали с регулируемой скоростью, как с колебаниями горелки, так и без них.

Современные установки, такие как АС354-5000, У75, У125, отличаются высоким уровнем автоматизации. Они оснащены программным управлением всеми механизмами, что позволяет точно контролировать траекторию движения горелки и параметры наплавки. Диагностика состояния механизмов осуществляется от контроллера, а управление – от компактного переносного пульта или панели оператора на базе промышленного контроллера. Некоторые комплексы могут иметь до 3-х или 5-ти осей для перемещения сварочной головки, а также рабочую поворотную поверхность для более сложной геометрии. Для предотвращения отекания жидкого металла при наплавке валов проволоку часто слегка смещают в сторону, противоположную вращению вала.

Конструктивные решения для обеспечения постоянной скорости и стабильного положения

Для наплавки конических поверхностей, где радиус в точке наплавки постоянно изменяется, критически важно обеспечить постоянную линейную скорость наплавки по образующей конуса. Это требует сложной, но тщательно продуманной кинематической схемы и высокоточной системы управления.

��инематическая схема установки:
Предлагаемая установка для наплавки конусов должна включать следующие основные узлы:

1. Вращатель детали: Состоит из приводного шпинделя с патроном (или планшайбой) и задней бабки с центром. Важно, чтобы вращатель обеспечивал плавное регулирование скорости вращения конуса в широком диапазоне.
2. Механизм продольного перемещения сварочной горелки: Представляет собой суппорт, движущийся вдоль оси вращения конуса.
3. Механизм поперечного перемещения сварочной горелки: Необходим для компенсации изменения радиуса конуса и поддержания постоянного вылета электрода относительно поверхности.
4. Сварочная головка: Устанавливается на суппорте и обеспечивает подачу электродной проволоки и флюса.
5. Система рециркуляции флюса: Автоматический сбор, очистка и повторная подача неиспользованного флюса.
6. Блок колебаний горелки: Опционально, для лучшего формирования широких валиков.

Принцип работы и обеспечение постоянной скорости:
Для поддержания постоянной линейной скорости наплавки по образующей конуса (V_л) необходимо синхронизировать угловую скорость вращения детали (ω) и продольную скорость перемещения горелки (V_пр).

На любом участке конуса линейная скорость вращения V_вр = ω ⋅ r, где r – текущий радиус конуса в точке наплавки.
Тогда V_л = √(V_вр² + V_пр²).
Поскольку радиус r меняется вдоль образующей, необходимо динамически регулировать ω и V_пр.

Промышленные контроллеры и системы управления:
Основу системы управления составляют промышленные контроллеры (например, ПЛК), которые обеспечивают управление перемещением сварочной горелки по заданной программе в координатах XYZ. Эти контроллеры позволяют:

• Координация движений: Синхронизировать вращение детали и продольное/поперечное перемещение горелки для поддержания постоянной линейной скорости наплавки по образующей конуса. Контроллеры способны управлять перемещением горелки по образующим цилиндрической или конической поверхностей с заданием нужной линейной и окружной скорости.
• Высокая точность позиционирования: Точность задержки времени осциллятора может составлять до 0,1 секунды, точность установки амплитуды колебаний – до 0,2 секунды, а точность скорости колебаний – до 0,1 мм/с.
• Системы автоматического слежения за швом (JTS): Эти системы, основанные на оптических или лазерных датчиках, обеспечивают высокоточное позиционирование сварочной горелки по двум осям (вертикальной и горизонтальной). Они компенсируют возможные смещения или кривизну заготовки, исключая необходимость ручной корректировки оператором.
• «Горячее» редактирование параметров: Современные системы позволяют оперативно изменять параметры режима наплавки (ток, напряжение, скорость сварки, амплитуда и период колебаний, задержка горелки в крайних точках колебаний) непосредственно в процессе работы, что повышает гибкость и адаптивность процесса.
• Стабилизация длины дуги: Системы автоматического регулирования длины дугового промежутка могут обеспечивать стабильность с точностью не менее 0,3 мм, что критически важно для постоянства теплового ввода и формирования валика.

Таким образом, комбинация продуманной кинематической схемы и современного программно-аппаратного комплекса управления позволяет решить задачу автоматизированной наплавки конических поверхностей с постоянной скоростью, обеспечивая высокое качество и повторяемость результатов.

Оборудование, материалы и инструменты для автоматизированной наплавки конусов

Выбор оптимальных материалов и оборудования является ключевым для достижения заданных механических свойств наплавленного слоя, особенно при работе с такими специфическими комбинациями, как наплавка бронзы на стальную коническую подложку.

Сварочные флюсы

Сварочные флюсы, как уже упоминалось, играют фундаментальную роль в процессе наплавки под флюсом. Их классифицируют по способу изготовления на плавленые и керамические, каждый из которых имеет свои особенности.

Плавленые флюсы получают путем плавления исходных компонентов (оксиды, соли) с последующим гранулированием расплава.

• Преимущества: Обладают высокими технологическими свойствами – отличная защита от воздуха, хорошее формирование наплавляемого сплава, легкая отделимость шлаковой корки. Они также, как правило, более дешевы в производстве.
• Недостатки: Меньшие возможности для легирования наплавленного металла через флюс, так как большинство легирующих элементов могут выгорать или переходить в шлак в процессе плавления.

Керамические флюсы производятся путем смешивания порошкообразных компонентов (оксиды, ферросплавы, металлические порошки) с жидким связующим и последующей грануляции и спекания при низких температурах.

• Преимущества: Позволяют вводить в наплавленный металл широкий спектр легирующих элементов (ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, металлические порошки алюминия, никеля, хрома, молибдена, ванадия, железный порошок), что открывает большие возможности для целенаправленного формирования химического состава и свойств наплавленного слоя. Расход керамического флюса может быть в 1,2-1,8 раза меньше, что снижает себестоимость.
• Недостатки: Могут быть дороже плавленых, а также иногда обладают худшей технологичностью в плане формирования шва.

Классификация флюсов по химическому составу:

• Высококремнистые марганцовистые флюсы (ОСЦ-45, ОСЦ-45М, АН-348А, АН-348АМ): Широко используются для наплавки углеродистых и низколегированных сталей, особенно в ремонтном производстве. Обладают хорошими раскисляющими свойствами.
• Флюсы с ограниченной концентрацией SiO₂ и MnO: Применяются для сварки и наплавки легированных сталей, чтобы минимизировать окисление металла и избежать нежелательного изменения химического состава наплавленного слоя. Например, флюсы АН-348А, АН-60, АН-22 хорошо подходят для низко- и среднелегированных сталей в сочетании с проволоками Св-08А, Св-08ГА или легированными хромом, молибденом, никелем.
• Флюс АН-60 считается наиболее подходящим для наплавки электродными лентами.

Рекомендации для наплавки бронзы на стальную подложку:
Для наплавки бронзы на сталь необходимо использовать флюсы, которые обеспечивают минимальное разбавление основного металла и предотвращают окисление цветных металлов. Рекомендуется выбирать низкокремнистые и низкомарганцевые флюсы с ограниченным содержанием оксидов кремния и марганца, чтобы уменьшить окисление меди и других легирующих элементов бронзы. Керамические флюсы могут быть предпочтительнее для ввода специфических легирующих добавок для улучшения свойств бронзового слоя (например, для повышения износостойкости).

Электродные проволоки и ленты

Выбор электродной проволоки или ленты напрямую определяет химический состав и механические свойства наплавленного слоя.

Типы наплавочных материалов:

• Проволоки сплошного сечения: Традиционный вариант, подразделяющийся на:
  • Из углеродистой стали (Нп-30, Нп-40, Нп-80).
  • Из легированной стали (Нп-30Х5, Нп-30ГСА, Нп-40ХФА) – для повышения износостойкости, прочности.
  • Из высоколегированной стали (Нп-4Х13, Нп-45Х4В3Ф, Нп-45Х2В8Т) – для получения специальных свойств (коррозионная стойкость, твердость).
• Порошковые проволоки: Имеют сердечник, заполненный порошковыми компонентами (ферросплавы, металлические порошки, флюсующие компоненты). Позволяют более гибко регулировать химический состав наплавленного слоя.
• Стальные ленты: Толщиной 0,1-0,3 мм и шириной 20-50 мм. Используются для увеличения производительности наплавки и получения широких валиков. Производительность ленточным электродом может достигать 5-30 кг/ч, тогда как одним электродом – 9-15 кг/ч.
• Порошковые ленты (ПЛ-АН102, ПЛ-А171): Сочетают преимущества ленточных электродов и порошковых проволок, обеспечивая высокую производительность и широкие возможности легирования. Производительность наплавки металлокерамическими лентами может быть на 25-30% выше по сравнению с металлической лентой.

Обоснование выбора для наплавки бронзы на сталь:
Для наплавки бронзы на стальную подложку необходимо использовать специальные бронзовые или медно-никелевые проволоки. Выбор конкретной марки зависит от требуемых свойств наплавленного слоя:

• Износостойкость: Если требуется высокая износостойкость, можно рассмотреть бронзовые проволоки, легированные алюминием, марганцем или никелем (например, проволоки на основе CuAl, CuMn, CuNi).
• Коррозионная стойкость: Для условий с повышенной коррозионной активностью подойдут проволоки на основе CuNi или CuSn.
• Механические свойства: Проволоки, содержащие Sn (оловянные бронзы) или Al (алюминиевые бронзы), могут обеспечить различные сочетания прочности и пластичности.

Важно учитывать совместимость бронзы со сталью, чтобы избежать образования хрупких интерметаллических соединений на границе сплавления.

Сварочное оборудование и источники тока

Для автоматизированной наплавки конусов требуется специализированное и надежное оборудование.

Наплавочные головки:
На рынке представлены различные модели полуавтоматических и автоматических наплавочных головок (например, ПШ-5, ПШ-54, ПДШМ-500, АБС, А-580М, А-874Н, А-384МК, АДС-1000-4).

• Автомат А-580М: Универсальная сварочная головка, подходящая для наплавки цилиндрических деталей диаметром от 50 мм электродной проволокой 1,6-4 мм, обеспечивающая скорость подачи проволоки 78-198 м/ч.
• Специализированные установки: Существуют комплексы, предназначенные для наплавки внутренних и наружных поверхностей машиностроительных объектов бронзовыми и нержавеющими материалами, такие как TIG УНК-132 (для наплавки в среде аргона) или установки, способные работать с отверстиями большого и малого диаметра (от 12,7 мм до 3657,6 мм) и внешними диаметрами до 3048 мм, без вращения крупногабаритных деталей.

Источники тока:
Для питания дуги обычно применяют сварочные генераторы или выпрямители. Часто используется постоянный ток обратной полярности, как было отмечено ранее, для минимизации проплавления основного металла.

• Современные источники: В автоматических установках все чаще используются источники тока с цифровым управлением (например, Tetrix 351 DC), которые обеспечивают высокую стабильность параметров дуги, точную регулировку и возможность интеграции в общую систему управления установкой.

Выбор оборудования должен быть обусловлен требованиями к точности поддержания режимов наплавки, диапазоном диаметров наплавляемых конусов, производительностью и возможностями автоматизации.

Расчет и проектирование установки для автоматизированной наплавки конусов

Проектирование установки для автоматизированной наплавки конических поверхностей – это многоэтапный процесс, требующий системного подхода и точных инженерных расчетов.

Основные этапы проектирования

Процесс проектирования может быть структурирован следующим образом:

1. Определение требуемых геометрических параметров наплавленного слоя и изделия: Изучение чертежей детали, определение начальных и конечных диаметров конуса, угла конусности, требуемой толщины наплавленного слоя, допусков и шероховатости поверхности.
2. Выбор оптимального способа наплавки и материалов: На основе анализа требований к механическим свойствам (износостойкость, коррозионная стойкость) и условий эксплуатации выбирается конкретный метод наплавки (например, под флюсом), марка электродной проволоки (бронзы для стальной подложки) и соответствующий флюс.
3. Расчет основных параметров режима наплавки: Определение оптимальных значений сварочного тока, напряжения дуги, скорости подачи проволоки, скорости наплавки, шага наплавки и вылета электрода.
4. Разработка кинематической схемы установки: Проектирование механизмов, обеспечивающих вращение детали и перемещение сварочной горелки по требуемой траектории для получения постоянной линейной скорости наплавки по образующей конуса.
5. Расчет привода и механизмов перемещения: Определение мощности электродвигателей, подбор редукторов, передаточных чисел и других элементов привода для обеспечения заданных скоростей и нагрузок.
6. Выбор компонентов системы автоматизации и управления: Подбор промышленных контроллеров, датчиков, исполнительных механизмов (сервоприводы), разработка алгоритмов управления.
7. Проектирование системы подачи и рециркуляции флюса: Определение объема бункеров, выбор механизмов подачи (вибрационные, шнековые), разработка системы сбора и очистки неиспользованного флюса.
8. Разработка общей компоновки установки: Размещение всех узлов и агрегатов на станине с учетом эргономики, безопасности и удобства обслуживания.
9. Оформление конструкторской документации: Разработка чертежей, спецификаций, пояснительных записок.

Расчет технологических параметров наплавки

Для обеспечения требуемого качества и производительности наплавки конусов необходимо выполнить точные расчеты технологических параметров.

1. Расчет сварочного тока (I_св), А:
   • Метод 1 (по диаметру электрода):

     Iсв = (20 + 6d)d, где d – диаметр электрода, мм.

   • Метод 2 (по плотности тока):

     Iсв = i · π · dэл2 / 4, где i – допустимая плотность тока, А/мм²; d_эл – диаметр электродного стержня, мм. Для более глубокого проплавления рекомендуется i ≥ 40-50 А/мм², для снижения – i ≤ 30-40 А/мм². При наплавке угловых швов и наплавке значение тока следует повышать на 10-15%.

   • Пример: Если d = 3 мм, i = 75 А/мм².

     Iсв = 75 · 3,14 · 32 / 4 ≈ 530 А.

2. Напряжение дуги (U_д), В:

   Выбирается в зависимости от сварочного тока и типа флюса. Для флюса АН-348А при токе 500-600 А напряжение дуги составляет 36-40 В.

3. Скорость подачи электродной проволоки (V_под), м/ч:

   Vпод = (Iсв · αР · 3600) / (ρ · π · (dПР/2)2 · 106), где:

   • d_ПР – диаметр проволоки, мм.
   • ρ – плотность металла электродной проволоки, г/см³ (для стали ρ = 7,8 г/см³; для бронзы ~8,5-8,9 г/см³).
   • α_Р – коэффициент расплавления проволоки, г/(А·ч). Для проволоки сплошного сечения при постоянном токе обратной полярности α_Р = 10-12 г/(А·ч).
   • Пример: I_св = 530 А, α_Р = 11 г/(А·ч), ρ = 8,5 г/см³ (для бронзы), d_ПР = 3 мм.

     Vпод = (530 · 11 · 3600) / (8,5 · 3,14 · (3/2)2 · 106) ≈ 53 м/ч.

4. Скорость сварки (V_св), м/ч (линейная скорость наплавки):

   Vсв = (Iсв · αН · 3600) / (FВ · ρ · 104), где:

   • α_Н – коэффициент наплавки, г/(А·ч).
   • F_В – площадь поперечного сечения одного валика, см² (можно принять 0,3-0,6 см²).
   • α_Н = α_Р(1-Ψ), где Ψ – коэффициент потерь металла на угар и разбрызгивание, принимается равным 0,02-0,03.
   • Пример: α_Р = 11 г/(А·ч), Ψ = 0,02. Тогда α_Н = 11 · (1-0,02) = 10,78 г/(А·ч).
     I_св = 530 А, F_В = 0,4 см², ρ = 8,5 г/см³.

     Vсв = (530 · 10,78 · 3600) / (0,4 · 8,5 · 104) ≈ 60 м/ч.

5. Масса наплавленного металла (М_Н), г:

   МН = VН · ρ, где V_Н – объем наплавленного металла, см³.

6. Объем наплавленного металла (V_Н), см³:

   VН = FН · h, где F_Н – площадь наплавленной поверхности, см²; h – высота наплавленного слоя, см.

Расчет привода и кинематики установки

Расчет привода и кинематики является одним из наиболее сложных аспектов проектирования установки для наплавки конусов, поскольку необходимо обеспечить постоянную линейную скорость наплавки по образующей.

Принцип постоянной линейной скорости:
Пусть V_л – требуемая постоянная линейная скорость наплавки.
В любой точке конуса с текущим радиусом r и углом образующей к оси вращения β, линейная скорость наплавки V_л является векторной суммой окружной скорости вращения конуса (V_окр = ω ⋅ r) и скорости продольного перемещения горелки (V_пр).
Таким образом: Vл = √(Vокр2 + Vпр2).
Скорость продольного перемещения горелки Vпр = Vл · sin(β).
Окружная скорость вращения Vокр = Vл · cos(β).
Тогда угловая скорость вращения конуса ω = Vокр / r = (Vл · cos(β)) / r.

Поскольку r изменяется вдоль образующей конуса (r = r0 + x · tg(α), где r₀ – радиус у основания, x – расстояние от основания, α – половина угла конусности), то для поддержания постоянной V_л необходимо непрерывно регулировать угловую скорость ω и продольную скорость V_пр в соответствии с ��екущим радиусом r.

Методика расчета привода:

1. Определение максимальных и минимальных скоростей и нагрузок: На основе требуемого диапазона V_л и геометрии конуса определяются максимальные и минимальные значения ω и V_пр.
2. Выбор электродвигателей: Подбираются серводвигатели с достаточным крутящим моментом и диапазоном регулирования скорости для привода вращателя детали и механизмов перемещения горелки. Серводвигатели предпочтительны из-за их высокой точности и возможности динамического изменения скорости.
3. Расчет редукторов: Определяются передаточные числа редукторов, чтобы обеспечить требуемые скорости вращения и перемещения при оптимальных оборотах двигателя.
4. Расчет кинематических цепей: Проектируются механические передачи (зубчатые, червячные, ременные) между двигателями и исполнительными элементами, обеспечивающие плавность хода и минимальные люфты.
5. Выбор системы управления: Использование промышленных контроллеров (ПЛК) с сервоусилителями и высокоточными энкодерами для обратной связи по положению и скорости. Программное обеспечение контроллера должно реализовывать алгоритм расчета и синхронизации ω и V_пр в реальном времени на основе текущего положения горелки (координаты X, Y, Z или r, x).

Пример (гипотетический):
Пусть конус имеет угол конусности 2α = 30°, то есть α = 15°. Тогда β = 90° — α = 75°.
Пусть V_л = 60 м/ч = 16,67 мм/с.
Тогда Vпр = Vл · sin(75°) ≈ 16,12 мм/с.
Vокр = Vл · cos(75°) ≈ 4,32 мм/с.

Если радиус в начале наплавки r₁ = 100 мм (0,1 м), то угловая скорость ω1 = Vокр / r1 = (4,32 мм/с) / (100 мм) = 0,0432 рад/с.
Если радиус в конце наплавки r₂ = 50 мм (0,05 м), то угловая скорость ω2 = Vокр / r2 = (4,32 мм/с) / (50 мм) = 0,0864 рад/с.
Таким образом, система управления должна непрерывно увеличивать угловую скорость вращения конуса по мере приближения горелки к вершине, а продольная скорость будет зависеть от V_л и угла β.

Контроль качества наплавленного слоя и обеспечение механических свойств

Обеспечение высокого качества наплавленного слоя – критически важный аспект в процессе восстановления деталей. Это достигается не только точным соблюдением технологических режимов, но и комплексным контролем на всех этапах.

Неразрушающие методы контроля

Неразрушающие методы контроля позволяют оценить качество наплавленного слоя без повреждения детали, что особенно важно для готовых изделий.

1. Визуальный контроль: Самый простой и первичный метод. Проводится при хорошем освещении, с использованием лупы 20-кратного увеличения для выявления мелких дефектов. Позволяет обнаружить поверхностные дефекты:
   • Трещины, отколы, свищи.
   • Поры, наплывы, подрезы, непровары.
   • Неравномерность формирования наплавленного валика, изменение его ширины и высоты.
   • Дефекты, выходящие на поверхность.
2. Люминесцентный или цветной контроль (капиллярная дефектоскопия): Применяется для выявления поверхностных дефектов, которые не видны невооруженным глазом.
   • Принцип: На поверхность наносят проникающую жидкость (пенетрант), которая проникает в поверхностные несплошности (трещины, поры, раковины) с раскрытием более 0,1 мкм (для I класса чувствительности – менее 1 мкм). После удаления излишков пенетранта наносится проявитель, который вытягивает жидкость из дефектов, делая их видимыми.
   • Преимущества: Высокая чувствительность, возможность выявления межкристаллической коррозии и сквозных дефектов.
3. Магнитный контроль (магнитопорошковый): Используется для выявления поверхностных и подповерхностных дефектов на глубине до 2-3 мм в ферромагнитных материалах.
   • Принцип: Деталь намагничивают, затем на ее поверхность наносят ферромагнитный порошок. В местах дефектов возникают локальные магнитные поля рассеяния, которые притягивают порошок, образуя видимые индикации.
   • Чувствительность: Выявляет дефекты с раскрытием от 0,001 мм, глубиной от 0,01 мм и протяженностью от 0,5 мм.
4. Вихретоковый контроль: Основан на взаимодействии электромагнитного поля вихретокового преобразователя с вихревыми токами, наводимыми в поверхностном слое контролируемой детали.
   • Принцип: Изменение параметров вихревых токов (амплитуда, фаза) указывает на наличие дефектов типа нарушения сплошности, изменения толщины, электропроводности или магнитной проницаемости.
5. Ультразвуковой контроль (УЗК): Применяется для выявления внутренних дефектов (поры, шлаковые включения, непровары, трещины) в наплавленном слое и на границе сплавления.
   • Принцип: Ультразвуковые волны отражаются от границ раздела сред (включая дефекты) и регистрируются приемником.
6. Гамма- и рентгенодефектоскопия: Используются для выявления внутренних дефектов, таких как поры, шлаковые включения, трещины, которые могут находиться глубоко внутри наплавленного слоя и основного металла.
   • Принцип: Изменение интенсивности проходящего через металл излучения регистрируется на пленке или детекторе, позволяя определить наличие и характер дефектов.
7. Метод магнитной памяти металла (МПМ): Используется для выявления зон концентрации напряжений (ЗКН) – мест с высоким риском развития усталостных трещин и других повреждений. Позволяет оценить остаточные напряжения, возникающие после наплавки.

Разрушающие методы контроля

Разрушающие методы контроля предоставляют наиболее полную информацию о структуре и свойствах наплавленного металла, но требуют вырезания образцов из детали.

1. Металлографические методы контроля:
   • Макроструктурный анализ: Исследование макрошлифов (поверхностей среза, отшлифованных и протравленных) для выявления макроструктуры, размеров наплавленного слоя, зоны термического влияния (ЗТВ), а также крупных дефектов (поры, трещины, несплавления).
   • Микроструктурный анализ: Исследование микрошлифов под микроскопом с увеличением для изучения фазового состава, размера зерна, наличия микротрещин, неметаллических включений и других особенностей микроструктуры, которые влияют на механические свойства.
2. Механические испытания:
   • Испытания на твердость: Определяют сопротивление наплавленного слоя пластической деформации. Могут проводиться по различным шкалам (например, HRC, HB, HV, HSd). Для различных флюсов и проволок может быть достигнута твердость от 27-32 HRC до 45-55 HRC. При использовании специальных материалов, таких как вокар или боридная смесь, твердость может достигать до 80 HRC.
   • Испытания на прочность: Определение предела прочности, предела текучести и относительного удлинения наплавленного металла.
   • Испытания на износостойкость: Специализированные тесты для оценки способности наплавленного слоя сопротивляться абразивному, адгезионному или эрозионному износу.

Обеспечение требуемых механических свойств

Достижение заданных механических свойств наплавленного слоя – это результат целенаправленного подхода, основанного на нескольких ключевых факторах:

1. Выбор соответствующих марок электродной проволоки и флюса: Это фундаментальный шаг. Легирующие элементы, вводимые через проволоку (например, никель, алюминий, марганец в бронзовых сплавах) или флюс (ферросплавы, металлические порошки), позволяют целенаправленно формировать химический состав наплавленного металла. Это дает возможность получать наплавленный слой с широким диапазоном свойств, например, твердостью от HRC 27-32 до HRC 80.
2. Легирование наплавленного металла: Целенаправленное введение легирующих элементов обеспечивает не только требуемую твердость и износостойкость, но и повышает другие свойства, такие как усталостная прочность, коррозионная стойкость и жаропрочность, что открывает широкие возможности для создания деталей с уникальными характеристиками.
3. Контроль и поддержание оптимальных режимов наплавки: Точный контроль сварочного тока, напряжения дуги, скорости наплавки и подачи проволоки позволяет минимизировать разбавление наплавленного металла основным. Разбавление, то есть смешивание присадочного и основного металлов, может значительно изменять химический состав наплавленного слоя (до 70% основного металла в соединении при использовании флюса). Минимизация разбавления предотвращает нежелательные изменения в химическом составе, что критично для обеспечения заданных свойств.
4. Замедленное охлаждение наплавленного металла: Благодаря защитному слою флюса, наплавленный металл охлаждается медленнее. Это создает благоприятные условия для формирования мелкозернистой, более однородной и плотной структуры шва, уменьшает остаточные напряжения и снижает вероятность образования трещин, что обеспечивает долговечность и надежность детали.

Комплексное применение этих подходов, подкрепленное строгим контролем качества, позволяет гарантировать, что наплавленный слой будет обладать всеми необходимыми эксплуатационными характеристиками для эффективного восстановления конических деталей.

Заключение

В рамках данной курсовой работы была представлена исчерпывающая методология по разработке и описанию схемы установки для автоматизированной наплавки поверхности конусов в нижнем положении с постоянной скоростью. Проделанный анализ охватил все ключевые аспекты – от фундаментальных теоретических принципов до практических расчетов и методов контроля качества.

Мы детально рассмотрели сущность электродуговой наплавки под флюсом, подчеркнув ее неоспоримые преимущества в производительности, качестве наплавленного металла и возможности автоматизации, а также обозначили сопутствующие недостатки, такие как значительный тепловой ввод и необходимость мер по охране труда. Глубокий анализ влияния каждого параметра режима наплавки – сварочного тока, напряжения дуги, скоростей подачи проволоки и перемещения, полярности и вылета электрода – позволил выявить их тонкое воздействие на формирование и свойства наплавленного слоя, что является критически важным для работы с коническими поверхностями.

Были проанализированы типовые схемы наплавочных установок, и предложены конкретные конструктивные решения для обеспечения постоянной линейной скорости наплавки по образующей конуса. Особое внимание уделено роли промышленных контроллеров и систем автоматического слежения за швом в координации движений и поддержании стабильного положения горелки. Обоснованный выбор флюсов и электродных проволок, в частности для наплавки бронзы на стальную подложку, показал, как целенаправленное легирование и управление технологическими параметрами позволяют достигать требуемых механических свойств.

Раздел по расчету и проектированию установки предоставил конкретные формулы и методики для определения сварочного тока, скоростей подачи и наплавки, коэффициентов расплавления и наплавки, а также заложил основы для расчета привода и кинематики, что является фундаментом для практической реализации инженерного проекта. Наконец, комплексный подход к контролю качества, включающий как неразрушающие (визуальный, люминесцентный, магнитный, ультразвуковой), так и разрушающие (металлографические, механические испытания) методы, показал, как можно обеспечить и подтвердить соответствие наплавленного слоя заданным характеристикам.

Практическая значимость полученных результатов заключается в предоставлении целостного инженерного решения для восстановления изношенных конических деталей. Предложенная методология и разработанные подходы могут быть использованы студентами и инженерами для проектирования высокоэффективных автоматизированных комплексов, способных продлить срок службы дорогостоящих компонентов, снизить эксплуатационные затраты и повысить общую надежность машиностроительного оборудования.

Список использованной литературы

1. Акулов, А.И., Бельчук, Г.А., Демянцевич, В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. Москва : Машиностроение, 1977. 432 с.
2. Альбом оборудования для заготовительных работ в производстве сварных конструкций / А.Д. Гитлевич, И.Н. Сухов, Д.В. Быховский, И.Д. Кутана. Москва : Высшая школа, 1977. 136 с.
3. Багрянский, К.В., Добротина, З.А., Хренов, К.К. Теория сварочных процессов. Киев : Вища школа, 1976. 424 с.
4. Николаев, Г.А., Куркин, С.А., Винокуров, В.А. Сварные конструкции. Технология изготовления. Автоматизация производства и проектирование сварных конструкций. Москва : Высшая школа, 1983. 344 с.
5. Бельфор, М.Г., Патон, В.Е. Оборудование для дуговой и шлаковой сварки и наплавки. Москва : Высшая школа, 1974. 256 с.
6. Бельчук, Г.А., Титов, Н.Я. Механизированная сварка по узкому зазору тонколистовой стали плавящимся электродом в смеси защитных газов. Ленинград : ЛДНТЛ, 1972. 26 с.
7. Бельфор, М.Г., Каленский, В.К., Литвинчук, М.Д. Оборудование для автоматической и полуавтоматической сварки и наплавки: Альбом. Москва : Высшая школа, 1967. 172 с.
8. Варгафтик, Н.В. Теплофизические свойства веществ. Ленинград : Энергоиздат, 1956. 312 с.
9. Наплавка под слоем флюса как способ восстановления валов и плоских деталей. URL: https://svarka.pro/naplavka-pod-sloem-flyusa-kak-sposob-vosstanovleniya-valov-i-ploskih-detalej/ (дата обращения: 25.10.2025).
10. Автоматизированные установки для наплавки тел вращения. URL: https://tdbs.ru/avtomatizirovannye-ustanovki-dlya-naplavki-tel-vrashheniya/ (дата обращения: 25.10.2025).
11. Установка АС354-5000 для наплавки цилиндрических и конических поверхностей. URL: https://navko.ru/catalog/ustanovki-dlya-naplavki/ac354-5000/ (дата обращения: 25.10.2025).
12. Контроль качества наплавленного металла. URL: https://www.weldzone.info/library/naplavka/kontrol-kachestva-naplavki (дата обращения: 25.10.2025).
13. Автоматизированные установки для наплавки валов (УНК). URL: https://vemtz.ru/product/ustanovka-dlya-naplavki-valov-unk/ (дата обращения: 25.10.2025).
14. Автоматизированная установка для наплавки элементов колесных пар «ЭДМЕТ-КП». URL: https://rusavtomat.ru/katalog/svarochnoe-oborudovanie/avtomatizirovannaya-ustanovka-dlya-naplavki-elementov-kolesnyh-par-edmet-kp/ (дата обращения: 25.10.2025).
15. Скорость подачи сварочной проволоки. URL: https://www.avtogen.ru/info/skorost-podachi-svarochnoy-provoloki/ (дата обращения: 25.10.2025).
16. Наплавка под слоем флюса. URL: https://www.weldzone.info/library/naplavka/naplavka-pod-sloem-flyusa (дата обращения: 25.10.2025).
17. Автоматическая наплавка под флюсом. URL: https://stroy-tehnika.ru/avtomaticheskaya-naplavka-pod-flyusom/ (дата обращения: 25.10.2025).
18. Установки для наплавки. Наплавка цилиндрических и конических поверхностей. URL: https://navko.ru/blog/ustanovki-dlya-naplavki-naplavka-cilindricheskih-i-konicheskih-poverhnostey/ (дата обращения: 25.10.2025).
19. Влияние параметров режима сварки под флюсом на форму сварных швов (Стр. 2). URL: https://metallportal.ru/info/svarka/svarochnye_shvy/vliyanie-parametrov-rejima-svarki-pod-flyusom-na-formu-svarnyh-shvov-str-2 (дата обращения: 25.10.2025).
20. Характеристики процесса сварки под флюсом (Стр. 2). URL: https://metallportal.ru/info/svarka/svarochnye_shvy/harakteristiki-protsessa-svarki-pod-flyusom-str-2 (дата обращения: 25.10.2025).
21. Автоматические наплавочные установки. URL: https://svarka-gorizont.ru/avtomaticheskie-naplavochnye-ustanovki/ (дата обращения: 25.10.2025).
22. Автоматическая установка для наплавки внутренних поверхностей труб, INTEGRAL. URL: https://intertehpribor.ru/avtomatizatsiya-svarki/avtomaticheskaya-ustanovka-dlya-naplavki-vnutrennih-poverhnostey-trub-integral/ (дата обращения: 25.10.2025).
23. Технология автоматической сварки под флюсом. URL: https://svarcom.ru/articles/texnologiya-avtomaticheskoj-svarki-pod-flyusom/ (дата обращения: 25.10.2025).
24. Контроль качества технологий восстановления, наплавок, напыления. URL: https://energodiagnostika.com/control-quality-technologies-restoration-surfacing-spraying (дата обращения: 25.10.2025).
25. Влияние скорости подачи электродной проволоки на проплавление основного металла при дуговой наплавке. URL: https://www.researchgate.net/publication/379471714_Vlianie_skorosti_podaci_elektrodnoj_provoloki_na_proplavlenie_osnovnogo_metalla_pri_dugovoj_naplavke (дата обращения: 25.10.2025).
26. Влияние движения сварочной проволоки на стабильность процесса сварк. URL: https://naukovedenie.ru/PDF/78TVN114.pdf (дата обращения: 25.10.2025).
27. Cварка под флюсом: принцип работы и особенности оборудования. URL: https://tsc-grupp.ru/articles/svarka-pod-fljusom-princzip-raboty-i-osobennosti-oborudovaniya/ (дата обращения: 25.10.2025).
28. Автоматическая сварка под флюсом. URL: https://rudetrans.ru/blog/avtomaticheskaya-svarka-pod-flyusom (дата обращения: 25.10.2025).
29. Установка для автоматической наплавки в среде аргона (TIG УНК -132) внутренних поверхностей цилиндрических деталей. URL: https://www.svarka-tig.ru/oborudovanie-dlya-naplavki/ustanovka-dlya-avtomaticheskoj-naplavki-v-srede-argona-tig-unk-132-vnutrennih-poverhnostej-cilindricheskih-detalej/ (дата обращения: 25.10.2025).
30. Установка для наплавки внутренних и наружных поверхностей. URL: https://www.promos-welding.ru/catalog/specialnoe-svarochnoe-oborudovanie/ustanovka-dlya-naplavki-vnutrennih-i-naruzhnyh-poverkhnostey/ (дата обращения: 25.10.2025).