4.4 Определение размеров заготовок при нанесении покрытий

Определение размеров заготовок под нанесение покрытий является одной из основных задач технологических размерных расчетов и должно обеспечить минимальную расчетную толщину обработанного покрытия в любой точке защищаемой поверхности за исключением особо оговоренных случаев, когда в отдельных зонах поверхности может быть допущена уменьшенная толщина покрытия. На неравномерность по толщине обрабо­танного покрытия влияют пространственные отклонения расположения по­верхностей заготовки и погрешность установки заготовки на операции об­работки покрытия.

Для цилиндрических наружных поверхностей, подготавливаемых к наслаиванию покрытий, номинальный размер исходной заготовки может быть получен из выражения (35) и с учетом изложенных выше представ­лений:

(52)

где - более обобщенное обозначение погрешности установки на операции размерной обработки покрытия.

Пространственные отклонения и погрешности установки представля­ет собой векторы, т. к. они имеют не только величину, но и направление. Их суммируют по правилу сложения векторов. При обработке плоских по­верхностей имеем коллинеарные векторы и . В этом случае:

(53)

т. е. векторная сумма определяется арифметической суммой значения век­торов.

При обработке наружных и внутренних поверхностей вращения век­торы и могут принимать любое угловое положение, предвидеть которое заранее не представляется возможным. Наиболее вероятное суммарное значение этих векторов определяется их сложением но правилу квадратно­го корня:

(54)

При обработке плоскостей и торцов с двухсторонним расположением покрытия по схеме двусторонней обработки:

(55)

В данной схеме погрешность базирования равна допуску на размер ( )

Для обработки отверстий получаем аналогичное выражение:

(56)

а при обработке плоскостей и торцов с двухсторонним расположением по­крытия по схеме двухсторонней обработки:

(57)

При одностороннем расположении покрытия и если погрешность ус­тановки не учитывается допуском на размер:

(58)

а для охватываемых размеров:

(59)

Рассмотрим выражения для определения остальных операционных размеров заготовок с цилиндрическими наружными поверхностями. Ми­нимальный размер исходной заготовки:

(60)

Максимальная толщина наслаиваемых покрытий:

(61)

Номинальный размер заготовки с наслоенным покрытием:

(62)

или

(63)

Для цилиндрических внутренних поверхностей:

(64)

(65)

При обработке плоскостей и торцов по двухсторонней схеме для ох­ватываемых поверхностей:

(66)

(67)

а для охватывающих поверхностей:

(68)

4.5 Методика расчета толщины газотермических покрытий

Поскольку затраты времени и себестоимость получения газотермических покрытий пропорциональны их толщине, необходимо определить ее оптимальное значение, удовлетворяющее требованиям, предъявляемым к покрытию, при минимальных затратах га его получение. Наиболее эффективно задача обоснования толщины покрытий на деталях может быть решена с помощью расчетно-аналитического метода.

Минимальную толщину наносимого покрытия определяют следующие факторы:

I. Минимальная рабочая толщина покрытия , получаемая на окончательном переходе его обработки. Ее в свою очередь определяют такие параметры:

1. Толщина слоя покрытия , достаточная и необходимая для обеспечения нормального функционирования изделия, а также для возможности восстановления покрытий и ремонта изделий. При больших механических нагрузках значение рассчитывают либо выбирают эмпирически так, чтобы исключить механические повреждения, нарушающие плотность покрытия или поверхностных слоев основы, и деформацию основы с покрытием, превышающую допустимую.

Например, в условиях трения возникновение задиров приведет к необходимости снятия нарушенного слоя основы и увеличению толщины повторно наносимого покрытия. Если покрытие наносится с целью придания защищаемой поверхности одного или нескольких специальных свойств (например, диэлектрической прочности и износостойкости), то толщина слоя должна удовлетворять необходимым требованиям.

2. Толщина слоя покрытия на изнашивание , обеспечивающая требуемый ресурс работы изделия. В большинстве случаев зависимость между путем трения L и величиной износа линейная. Тогда

(69)

где – интенсивность изнашивания. Более детально методики расчета на износ описаны в работах.

3. Высота неровностей полученных при окончательном переходе обработки покрытия (учитывается в случае работы покрытия в коррозионных средах и других условиях эксплуатации, когда процесс разрушения покрытия зависит от топографии поверхности).

4. Высота волнистости (учитывается аналогично п. 1.3).

В общем минимальная рабочая толщина покрытия записывается выражением

(70)

В условиях коррозионного воздействия внешней среды срок службы покрытия определяется минимальным значением локальной фактической толщины, т.е. . Это же значение является определяющим в случаях, когда какая-либо физическая величина, например диэлектрическая прочность, зависит от толщины покрытия. В связи с тем что наиболее глубокие впадины на поверхности покрытия могут располагаться напротив наиболее выступающих неровностей основного материала, в расчетах следует всегда учитывать величины и .

II. Минимальный общий припуск на обработку покрытия . Его определяют по методикам, известным в технологии машиностроения. Расчетная формула для определения припуска на первой операции обработки покрытия имеет вид

(71)

где и – соответственно высота микронеровностей и глубина дефектного слоя покрытия после нанесения;

– пространственное отклонение расположения поверхности исходного покрытия относительно базовых поверхностей заготовки;

– погрешность установки на первой операции обработки покрытия;

Величина может быть предсталена как векторная сумма:

(72)

где – пространственное отклонение расположения поверхности исходной заготовки, обработанной под покрытие;

– дополнительное пространственное отклонение расположения поверхности, возникающее в процессе нанесения покрытия.

III. Пространственное отклонение расположения поверхности раздела основного материала с покрытием относительно базовых поверх­ностей заготовки с покрытием (в исходной заготовке).

Во избежание брака при размерной обработке газотермических покрытий размеры предварительно обрабатываемых заготовок следует занижать (или завышать – для внутренних поверхностей) на величину пространственных отклонений и соответственно увеличивать толщину наносимого слоя. Основными отклонениями, учитываемыми при расчете толщины покрытий, являются несоосность шеек ступенчатых валов с линией центро­вых гнезд, неперпендикулярность торцовых поверхностей осям базовых ци­линдрических поверхностей, изогнутость заготовок валов и осей, смещение осей отверстий с покрытиями в корпусных деталях в пределах допусков на координатные размеры, выполняемые на операциях обработки отверстий под покрытия и размерной обработки покрытий и др. При расчете толщины следует учитывать так называемые неконтролируемые погрешности формы, не выявляемые при контроле соответствующих диаметральных или коорди­нирующих размеров. Такие погрешности формы обусловлены непрямолинейностью оси или образующей и не могут быть определены существующими методами контроля диаметральных размеров.

IV. Пространственное отклонение расположения поверхности раздела основного материала с покрытием относительно базовых поверх­ностей, образующееся в процессе нанесения покрытия.

V. Погрешность установки , появляющаяся на стадии размерной обработки покрытия. Если последняя выполняется со сменой установочных баз, учитывают значение , возникающее на последней операции раз­мерной обработки покрытия и окончательно формирующее неравномерность покрытия по толщине.

VI. Толщина переходного слоя между основным металлом и материалом покрытия, отличающегося химическим составом, структурой и свой­ствами от материала покрытия. Переходный слой или образуется самопро­извольно как следствие особенностей процесса нанесения покрытия (сплав­ление, диффузия, образование интерметаллидных слоев и др.), или создается целенаправленно с помощью специальных технологических приемов (на­несение подслоев для обеспечения высокой прочности сцепления, последо­вательное изменение содержания отдельных компонентов покрытия для обеспечения плавного изменения коэффициентов термического расширения основы и покрытия).

Минимальная толщина наносимого покрытия определяется по формуле:

(73)

Межпереходные размеры па обработку поверхностей с покрытиями и толщина последних в настоящее время выбираются интуитивно, без учета конкретных условий обработки, точности размеров заготовки и окончатель­но обработанной детали. Обычно принимают завышенные значения припусков на обработку покрытий, а также их толщины. В отдельных случаях недостаточно высокие значения этих величин приводят к браку при размерной обработке. Однако назначение завышенных значений припусков на обработку и толщины покрытий во избежание брака также не оправда­но, поскольку это увеличивает матернало- и энергоемкость процессов получения покрытий.

Толщина покрытия — понятие, относящееся к определенной обрабаты­ваемой поверхности, измеряют ее по нормали к этой поверхности. Коле­бания размеров, получаемых на каждой ступени обработки, обусловливают изменения толщины покрытия. Различают следующие возможные значения толщины покрытия, подвергнутого размерной обработке: номинальная толщина, наибольшая возможная толщина, наименьшая возможная толщина и средняя толщина.

Выбранная система отсчета толщины покрытия должна удовлетворять следующим требованиям: объективно учитывать закономерности изменения толщины покрытия на различных стадиях обработки поверхностей детали, соответствовать системе допусков и посадок и теории размерных цепей. Этим требованиям отвечает система, в которой за начало отсчета принято номинальное значение размера. Построенные на основе такой системы отсчета схемы размерных связей между операционными размерами, припусками и допусками на обработку вала приведены на рис. 60.

Рис. 60 Схема расположения полей операционных припусков и допусков на обработку вала с покрытием

, , , , , – номинальные зна­чения операционных размеров соответст­венно заготовки, чернового и чистового обтачивания, нанесения твердого покры­тия, чернового и чистового шлифования; , , , , , – допуски на указанные размеры; , , и – номи­нальные значения припусков соответственно на черновое и чистовое обтачивание, черновое и чистовое шлифование покры­тия; и – общий припуск соответственно на обработку заготовки и покрытия; – номинальное значение толщины обработанного покрытия; – допуск на размер детали; – номинальное значение толщины нанесенного покрытия (индексы «макс» и «мин» означают максимальные и минимальные размеры соответствующих величин).

Основными параметрами этой схемы являются номинальные значения: размера исход­ной заготовки , операционных размеров и размера готовой детали . Размер после обработки под покрытие также может рассматри­ваться как, размер исходной заготовки перед нанесением покрытия.

Подобная схема для обработки отверстия приведена на рис. 61. Эти схемы полностью отражают последовательность обработки поверхностей заготовок, включая этапы предварительной обработки под покрытие, нанесение покрытий и их последующую размерную обработку, а также соответствующие размерные связи между отдельными переходами обработки. С по­мощью таких схем легко выявлятьь и решать технологические размерные цепи.

Рис. 61 Схема расположения полей операционных припусков и допусков на обработку отверстия с наслаиваемым покрытием

, , , , , , – номинальные зна­чения операционных размеров соответст­венно заготовки, чернового и чистового растачивания, нанесения покры­тия, чернового и чистового внутреннего шлифования; , , , и – допуски на указанные размеры; , , , и – номи­нальные значения припусков на обработку. Остальные обозначения соответствуют таковым на рис. 60.

Рис. 62 Схема расположения полей газотермических покрытий, допусков и припусков на их обработку для охватываемой поверхности:

– номинальный размер заготовки с покрытием; – допуск на толщину напыленного покрытия; – припуск на обработку покрытия; – допуск на размер заготовки с напыленным покрытием. Остальные обозначения соответствуют таковым на рис. 60.

Рис. 63 Схема расположения полей газотермических покрытий, допусков и припусков на их обработку для охватывающей поверхности (обозначения соответствуют таковым на рис. 62).

Более простая схема для определения возможных значений толщины покрытия на цилиндрических наружных поверхностях после размерной обработки без учета маршрута обработки поверхности перед и после нанесения покрытия приведена на рис. 62. На схеме изображено четыре возможных варианта расположения наслаиваемых покрытий на обраоатываемой поверхности, получаемых в результате совмещения минимальных и максимальных размеров заготовки, подготовленной к нанесению покрытия, и максимальных и минимальных толщин покрытий. На основе этой схемы могут быть определены все названные выше значения толщины покрытия. Для обработки отверстий аналогичная схема приведена па рис. 63.

Расчетные выражения, полученные в результате решения размерных цепей, приведенных на рис. 62 и 63, сведены в табл. 4. С их помощью могут быть выполнены практически все необходимые расчеты, в том числе определены размеры заготовки под покрытие при заданной .

Таблица 4. Расчетные формулы для определения операционных размеров и толщины покрытий

№ п/п	Параметр	Поверхности
		охватываемые	охватывающие
1	Минимальная толщина обработанного покрытия
2	Допуск на толщину обработанного покрытия
3	Максимальная толщина обработанного покрытия
4	Номинальная толщина обработанного покрытия
5	Номинальная толщина покрытия на переходах размерной обработки
6	Допуск на размер заготовки с покрытием
7	Номинальный припуск на обработку покрытия	, или
Продолжение таблицы 4
8	Максимальный припуск на обработку покрытия	, или
9	Максимальная толщина напыленных покрытий	или , или , или
10	Минимальная толщина напыленных покрытий	, или , или , или , или
11	Номинальный размер заготовки с напыленным покрытием
12	Максимальный размер заготовки с напыленным покрытием		, или
13	Минимальный размер заготовки с напыленным покрытием	, или	, или
14	Средняя толщина покрытий	, или

Примечание. Ф – фактор формы. При одностороннем расположении покрытия Ф=1, для цилиндрических поверхностей и при двухстороннем расположении покрытия Ф=2.

При выборе величины допуска на размер заготовки под покрытиe учитывают соотношение затрат на обработку заготовки и на­несение покрытая. При размерном анализе (табл. 15) предполагается, что при размерной обработке покрытия отсутствуют по­грешность установки заготовки и пространственные отклонения рас­положения обрабатываемой поверх­ности относительно технологических баз. В противном случае в размерный анализ должны вводиться соот­ветствующие коррективы. Последо­вательность расчета толщины и опе­рационных размеров приведена на рис. 64.

Рис. 64 Алгоритм решения задачи расчета толщины покрытий и операционных размеров на обработку поверхностей с покрытиями.

Наибольшую и наименьшую толщину обрабатываемых покрытий вычисляют и используют при про­верке соответствия выбранного тех­нологического процесса техническим условиям на изготовление дета­ли, а также служебному назначению и условиям эксплуатации для обес­печения заданного срока службы. Эти значения сопоставляют с допу­стимыми и по результатам сравне­ния судят о приемлемости и каче­стве технологического процесса. Операционные размеры используют для контроля технологического процесса.

Значения толщины напыленных покрытий используют не только для межоперационного контроля, но и для сопоставления с допустимыми тол­щинами покрытий, получаемых выбранным методом. Максимальная тол­щина напыленных покрытий должна исключать появление чрезмерно вы­соких остаточных напряжений и пр.