автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности восстановления цилиндрических деталей машин за счет совмещения процессов наплавки и механической обработки

На правах рукописи

Фисенко Константин Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЗА СЧЕТ СОВМЕЩЕНИЯ ПРОЦЕССОВ НАПЛАВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность: 05.02.08 - «Технология машиностроения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

Ростов-на-Дону 2013

005535657

005535657

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС) на кафедре «Эксплуатация и ремонт машин»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор, ' зав. каф. «Эксплуатация и ремонт машин» ФГБОУ ВПО РГУПС Бойко Николай Иванович

доктор технических наук, профессор каф. «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО ДГТУ Попов Михаил Егорович

кандидат технических наук, технический директор ООО «МК-Промсервис» Медведев Максим Владимирович

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный университет путей сообщения» ФГБОУ ВПО МГУПС (МИИТ)

Защита состоится «12» Ноября 2013 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ) по адресу: 344079, г. Росгов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ДГТУ, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ДГТУ.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью организации, просим выслать в диссертационный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан «11» Октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В.Э. Бурлакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Непрерывно возрастающие требования к качеству выпускаемых машин и оборудования связаны с необходимостью повышения их точности и надежности, производительности и коэффициента полезного действия (КПД), которые в значительной мере определяются эксплуатационными свойствами деталей и узлов. Многочисленные исследования показали, что до 80 % случаев выхода из строя машин при эксплуатации происходит из-за износа в сопряжениях узлов трения.

Свыше 60 % изношенных деталей машин могут быть восстановлены, так как их ресурс по прочности и долговечности выше, чем по износостойкости. В настоящее время накоплен большой опыт создания износостойких поверхностей при восстановлении деталей различными способами: наплавки, напыления, электролитическими, электрохимическими, полимерными покрытиями, поверхностным пластическим деформированием (111Щ), химико-термической, термомеханической обработкой и др. Одним из приоритетных направлений в ремонтном производстве является максимально эффективное использование остаточного ресурса деталей по долговечности за счет повышения износостойкости восстановленных деталей машин.

Одним из методов повышения износостойкости трущихся поверхностей является изменение их химического состава путем внедрения легирующих компонентов для образования структур, хорошо сопротивляющихся процессам изнашивания. Но ограничивающим фактором при этом является то, что механическая обработка износостойкого наплавленного металла высокой твёрдости в холодном состоянии детали затруднена, так как наплавленный металл обладает высокой истирающей способностью и сопротивлением резанию, что затрудняет снятие стружки, при этом стойкость режущего инструмента оказывается весьма низкой.

В связи с этим актуальным направлением является разработка ресурсосберегающей технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей машин за счет совмещения в единой технологической схеме процессов электродуговой наплавки под слоем легирующего флюса, фрезерования и последующего шлифования еще не остывшего наплавленного слоя металла.

Таким образом, актуальность темы, с одной стороны обусловлена практической зйачимостью и перспективностью применения высокоэффективного ресурсосберегающего метода восстановления изношенных цилиндрических деталей машин, а с другой стороны, недостаточным уровнем развития технологии восстановления.

Целью работы является повышение эффективности восстановления изношенных деталей машин за счет совмещения в единой технологической

з

схеме процессов наплавки под слоем легирующего флюса с одновременным фрезерованием и последующим шлифованием горячего наплавленного металла. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1 Исследование величины износа деталей путевых машин, необходимое для прогнозирования толщины наплавляемого слоя металла при их восстановлении.

2 Анализ современных методов нанесения износостойкого поверхностного слоя металла и механической обработки труднообрабатываемых материалов.

3 Разработка эффективной ресурсосберегающей технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей машин на основе совмещения процессов наплавки и механической обработки.

4 Проведение теоретических и экспериментальных исследований величины температурного поля наплавленного металла в зоне шлифования в момент окончания наплавки и фрезерования, а также разработка методики её расчета.

5 Проведение экспериментальных исследований сил резания, возникающих при шлифовании горячего наплавленного металла, стойкости шлифовальных кругов и качества обрабатываемой поверхности детали. Уточнение методики расчета сил резания в зависимости от режимов шлифования.

6 Разработка методики автоматизированного расчета температуры наплавленного металла и сил резания.

7 Исследование влияния температурных условий при механической обработке наплавленного металла на шероховатость, износостойкость и остаточные напряжения поверхностного слоя восстановленной детали.

8 Разработка рекомендаций по практическому применению ресурсосберегающей технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей.

9 Технико-экономическое обоснование целесообразности применения совмещения операций наплавки и механической обработки горячего наплавленного металла при восстановлении изношенных цилиндрических деталей путевых машин.

Предметом исследования является эффективность процесса шлифования горячего наплавленного металла по производительности и качеству получаемого поверхностного слоя детали.

Объект исследования - технологический процесс совмещения в единой технологической схеме процессов электродуговой наплавки с одновременным фрезерованием и последующим шлифованием горячего наплавленного металла.

Методологической базой исследования являются известные подходы и методы, применяемые для проведения исследований в области технологии машиностроения: металлографические, статистические, расчётно-анал этические.

Теоретической базой исследования являются работы учёных в области обработки металлов абразивным инструментом: Г.М. Ипполитова,

П.Е. Дьяченко, И.В. Гребенщикова, A.B. Шубникова, П.А. Ребиндера, E.H. Маслова, JI.A. Глейзера, П.И. Ящсрицына, A.B. Якимова, B.C. Корсакова, А.И. Исаева, С.Г. Редько, A.B. Подзей, A.A. Маталина, Г.Б. Лурье, В.А. Шальнова, С.Н. Корчака; работы по исследованию физико-механических свойств и выбора рационального способа восстановления: Д.Г. Вадивасова, П.Н. Волкова, E.JI. Воловика, Н.Ф. Грохольского, В.А. Деева, Н.И. Доценко, Н.И. Иващенко, К.Т. Кошкина, И.В. Кудрявцева, М.П. Мелкова, В.А. Напивкина, Ю.Н. Петрова, В.И. Черноиванова, В.А. Шадричева и многих других.

Эмпирической базой явились исследования производительности шлифования горячего наплавленного металла, шероховатости поверхности, металлографические исследования структуры наплавленного и обработанного металла, величины остаточных напряжений и износостойкости получаемого при этом поверхностного слоя деталей машин.

Методы исследования

Теоретические исследования проводились на базе фундаментальных разработок в области технологии машиностроения, теории шлифования металлов и технологии сварочного производства. Экспериментальные исследования проводились по стандартным методикам в лабораторных условиях, базирующимся на принципах математической статистики, математического и компьютерного моделирования схем процессов. Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью результатов, полученных при теоретических расчетах, с данными экспериментальных исследований.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1 Ресурсосберегающая технология восстановления изношенных цилиндрических деталей машин.

2 Эффективность процесса шлифования горячего наплавленного металла.

3 Зависимость сил резания от режимов обработки и характеристик абразивного инструмента при шлифовании горячего наплавленного металла.

4 Результаты экспериментальных исследований влияния температурных условий при обработке наплавленного металла в горячем состоянии на качество и износостойкость наплавленного металла восстанавливаемой детали.

Научная новизна:

1 Разработана математическая модель расчета температуры наплавленного металла в зоне шлифования в момент окончания процессов электродуговой наплавки и фрезерования.

2 Уточнены эмпирические зависимости расчета сил резания при шлифовании горячего наплавленного металла в зависимости от режимов обработки.

3 Выявлены закономерности влияния температурных условий при фрезеровании и шлифования наплавленного металла на качество и износостойкость поверхностного слоя восстанавливаемых деталей машин.

Теоретическая и практическая ценность работы

Теоретически обоснована, экспериментально подтверждена эффективность обработки износостойкого наплавленного металла в горячем состоянии. ■ На основании выполненных исследований разработана ресурсосберегающая технология восстановления изношенных цилиндрических деталей путевых машин за счет совмещения в единой технологической схеме процессов наплавки, фрезерования и последующего шлифования горячего наплавленного металла. Разработана математическая модель расчета температуры наплавленного металла в зоне шлифования в момент отключения горения сварочной дуги и отвода фрезы. Получены экспериментальные уравнения для расчета сил резания в зависимости от режимов шлифования при обработке горячего наплавленного металла. Разработана методика автоматизированного расчета температуры наплавленного металла и сил резания при шлифовании в виде блок-схем и программы ЭВМ, позволяющая выбирать рациональные режимы восстановления деталей без трудоёмких и дорогостоящих экспериментальных исследований. Выявлены закономерности влияния режимов обработки на качество и износостойкость поверхности восстановленной детали. Даны практические рекомендации по выбору режимов восстановления изношенных цилиндрических деталей путевых машин. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии для Тихорецкой машинизированной дистанции пути (ПЧМ-2-Тихорецк) составляет - 765 784,39 руб. Результаты, полученные в работе, имеют практическое значение при решении задач восстановления изношенных цилиндрических деталей машин: выбор рациональных режимов наплавки и шлифования.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Выполненная диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.02.08 - «Технология машиностроения» по следующим областям исследований:

- совершенствование существующих методов обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска;

-технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин.

Апробация и реализация результатов диссертации Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (Санкт-Петербург, Плазмацентр, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2009» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2009 г.); Международной научно-практической конференции

«Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Наука и образование транспорту» (Самара, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2010», «Транспорт 2011», «Транспорт 2012»; Научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии» (Ростов-на-Дону, ВертолЭКСПО, 2012 г.).

Результаты диссертационного исследования внедрены на ПЧМ-1-Новочеркасск и ПЧМ-2-Тихорецк.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается корректным использованием теоретических и научных разработок, проведённых при исследовании эффективности процесса восстановления, и применением современных методик и средств.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературных источников, приложения. Работа содержит 216 листов машинописного текста, 95 рисунков, 36 таблиц, 184 литературных источника, 3 приложения.

Личный вклад автора

Разработана математическая модель расчета температуры наплавленного металла в зоне шлифования в момент окончания процессов электродуговой наплавки и фрезерования; уточнены эмпирические зависимости для расчета сил резания при шлифовании горячего наплавленного металла в зависимости от режимов обработки; выявлены основные закономерности влияния обработки наплавленного металла в горячем состоянии на его качество и износостойкость.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, направленной на решение важной научно-технической задачи повышения сроков службы и качества восстановленных деталей машин.

В первой главе изложено состояние вопроса и задачи исследования, представлен анализ существующих методов наплавки и механической обработки горячего наплавленного металла; проведены экспериментальные исследования и статистический анализ данных по износу деталей путевых машин.

Повышение надежности деталей машин является одной из важных задач в тяжелом машиностроении. В современных машинах и приборах широко

применяются детали с высокоточными поверхностями. Снижение геометрической точности поверхности деталей вызывает трудности при сборке и монтаже машин, приводит к повышению уровня шума и вибрациям во время работы, а также существенно снижает их долговечность.

Применение износостойкой наплавки при восстановлении деталей машин способствует повышению их надежности, но при этом ограничивается трудностью ее механической обработки в холодном состоянии. Наплавленный металл обладает высокой твердостью и неравномерным распределением её по длине детали, неоднородностью структуры, большой высотой выступов и впадин наплавленного слоя (0,5...0,9 мм).

В соответствии с вышеизложенным не только целесообразным, но и весьма перспективным направлением повышения эффективности восстановления изношенных цилиндрических деталей машин является разработка технологии обработки износостойкого наплавленного металла в горячем состоянии. Данная технология позволяет совмещать в единой технологической схеме процессы электродуговой наплавки под слоем легирующего флюса ' с одновременным фрезерованием и последующим шлифованием горячего наплавленного металла.

Для прогнозирования толщины наплавляемого слоя металла при восстановлении деталей были выполнены экспериментальные исследования величин износа деталей, поступающих для восстановления в ремонтные мастерские Тихорецкой машинизированной дистанции пути (ПЧМ-2-Тихоецк). При проведении статистической обработки за базовую модель была принята ось центрального шарнира подбивочного блока путевой машины ВПР-1200. Анализ полученных данных показывает, что детали изнашиваются равномерно по диаметру. Величина износа в среднем составляет 0,5... 1 мм. Основными видами износа являются абразивный и гидроабразивный. Аналогичные результаты были получены при исследовании и других деталей путевых машин. Статистическая обработка данных показала, что распределение износа для всех деталей близко к распределению по закону Гаусса, что позволяет прогнозировать величину износа деталей. Исходя из полученных данных в качестве объекта исследований были выбраны образцы с диаметром от 40 мм и величиной износа до 1 мм.

Анализ способов механической обработки наплавленного металла показал, что на ремонтных предприятиях обработку наплавленного металла деталей в основном производят такими методами, как точение, фрезерование и шлифование.

При точения у резцов происходит затупление режущей кромки, из-за чего глубина резания уменьшается к концу прохода, поверхность характеризуется наличием зон вырывания межваликовых выступов, волнистостью с углублениями, которые являются результатом отжима резца от детали. Это является следствием того, что в наплавленном металле присутствуют твердые

шлаковые включения, представляющие собой окислы металлов (МпО, РеО, А1203, БЮ2) или соединение нескольких окислов, повышающих истирающие свойства наплавленного металла. В результате чего стойкость режущего инструмента понижается, что влечет за собой уменьшение скорости резания, а следовательно, и производительности процесса. Применение заниженных скоростей резания способствует интенсивному наростообразованию на режущих кромках инструмента, повышению шероховатости обработанной поверхности, образованию трещин и надрывов, которые приводят к понижению качества восстанавливаемых деталей.

Применение исключительно шлифования (чернового и чистового) является непроизводительным из-за наличия неравномерного и большого припуска на обработку.

Фрезерование, в отличие от точения и шлифования, характеризуется большей производительностью процесса, а также способствует появлению благоприятных сжимающих напряжений в поверхностном слое металла. Но в результате фрезерования горячего наплавленного металла цилиндрических деталей на поверхности образуются значительная огранка, волнистость, получается низкий класс шероховатости, поэтому фрезерование рекомендуется применять только для черновых и обдирочных операций.

Исходя из вышеизложенного при выполнении данной работы в качестве чернового метода обработки горячего наплавленного металла было принято фрезерование торцевой фрезой, а в качестве окончательного метода -шлифование.

Во второй главе представлена установка для восстановления изношенных цилиндрических деталей электродуговой наплавкой под слоем легирующего флюса с одновременным фрезерованием и последующим шлифованием горячего наплавленного металла. Выполнено исследование влияния режимов наплавки на геометрические характеристики наплавленных валиков и степень проплавления основного металла. Проведен выбор инструмента для обработки наплавленного металла, и представлена кинематика процесса механической обработки.

В Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС) разработаны технологические схемы и оборудование для осуществления наплавки и одновременной механической обработки цилиндрических деталей с использованием тепла сварочной дуги. На установке (рис. 1) в единой технологической схеме осуществляются автоматическая наплавка, удаление шлаковой корки (при наплавке под слоем флюса), фрезерование и шлифование горячего наплавленного металла.

Установка состоит из модернизированного токарного станка модели 16К20, на котором можно регулировать частоту вращения шпинделя с деталью 1

д

в пределах 0,5...10 мин"1. Для этого установлен дополнительный редуктор между электродвигателем и передней бабкой станка. Используются редукторы РЧН-120 или РЧП-120. Резцедержатель токарного станка снят. На суппорте 9 тэкарного станка установлена несущая плита 8 с поперечными направляющими, по которым с помощью винтовой передачи перемещаются суппорт 10 фрезерной головки и суппорт 6 шлифовальной головки. На несушей плите жестко закреплено шлакоудаляющее устройство с подпружиненным резцом 13. Наплавка детали осуществляется универсальным наплавочным автоматом ОКС-1252А. Наплавочный автомат 2 размещен на кронштейне, установленном на задней части суппорта токарного станка В качестве источника сварочного тока использовали преобразователь ПСГ-500. На суппорте фрезерной головки расположен редуктор /2 фрезерной головки с фрезой 14. На продольных направляющих суппорта шлифовальной головки размещена установочная плита 5, которая с помощью винтовой передачи перемещается вдоль детали. На установочной плите закреплена шлифовальная головка 3 со шлифовальным кругом 7. Редуктор фрезерной головки обеспечивает частоту вращения фрезы 400...900 мин', а шлифовальная головка - окружную скорость шлифовального круга в пределах 25...50 м/с. Шлифовальный круг можно разворачивать в зависимости от глубины шлифования и конфжурации детали на угол 0...300. Шлифование горячего наплавленного и обработанного торцевой фрезой металла начинается после выключения сварочной дуги и отвода фрезы из зоны резания.

Рис. I. Схема установки для комплексно-механизированной наплавки и механической обработки цилиндрических деталей: / - деталь; 2 - наплавочный автомат; 3 - шлифовальная головка; 4 - электродвигатель шлифовальной головки; 5 - установочная плита; б - суппорт шлифовальной головки; 7 - шлифовальный круг, 8 - несущая плита; 9 - суппорт токарного станка: 10 - суппорт фрезерной головки; II - электродвигатель фрезерной головки; 12 - редуктор. 13 - шлакоудаляющее устройство; 14 - фрезерная головка; 15 - флюсоудерживающес устройство; 16 - флюсонровод; 17 - мундштук наплавочного автомата

ю

Процесс восстановления детали включает в себя следующие этапы: в автоматическом режиме наплавочный автомат 2 с мундштуком 17, флюсопроводом 16, флюсоудерживающим устройством 15 и фрезой одновременно перемещаются вдоль оси детали. По мере вращения детали наплавленный валик освобождается резцом шлакоудаляющего устройства от шлаковой корки и обрабатывается фрезой, далее в работу вступает шлифовальный круг (рис. 2).

Рис. 2. схема процесса шлифования горячего наплавленного металла цилиндрической детали в момент окончания наплавки н фрезерования; / - деталь; 2 - фреза; 3 - флюсопровод; 4 - мундштук наплавочного автомата; 5 - шлифовальный круг; 6 - шлакоудаляющее устройство; 7 - наплавленный и профре зеро ванный валик; Sm - продольная подача шлифовального круга; пл - частота вращения детали; У^ - скорость вращения шлифовального круга; а> - расстояние между шлифовальным кругом и сварочной дугой; /?„ - радиус наплавленной детали; <р - угол смещения наплавочной проволоки с зенита детали

Проведенный анализ литературных источников и экспериментальные исследования позволили установить влияние режимов наплавки на геометрические характеристики наплавленного слоя. На форму и размеры наплавленных валиков существенное влияние оказывают величина, род и полярность тока наплавки, напряжение дуги, скорость наплавки, скорость подачи электродной проволоки и т. д. На основании проведенного анализа литературных источников и экспериментальных данных были выбраны оптимачьные режимы наплавки. Для наплавки деталей диаметром 60...120 мм сила тока принимается в пределах 180 ..230 А, напряжение с учетом стабильности горения дуги 22...2S В, оптимальная скорость подачи наплавочной проволоки в пределах 1,5..^,5 м/мин при частоте вращения детали 2...3 мин1, продольная подача сварочной дуги (шаг HaiL'iasKH) 4 мм на оборот детали. При этих режимах наплавленный слой получается более равномерным, снижается наличие пор, раковин и трещин, структура наплавленного металла становится более однородной.

На поверхности восстанавливаемой детали после окончания процесса наплавки имеются глубокие впадины и выступы, величина которых составляет 0,5.. .0,9 мм. шероховатость поверхности достигает R, = 2S0...350 мкм, поэтому ей подвергают черновому фрезерованию. После фрезерования на поверхности

II

детали образуется огранка, вызванная наличием холостого времени работы фрезы, поэтому для окончательной обработки наплавленного металла восстанавливаемой детали используется абразивный инструмент - шлифовальный круг, который характера 1>стс* следующими основными параметрами: геометр и- еской формой и размером; абразивным материалом; зернистостью; твердостью; связкой (цементирующим раствором); структурой. Для последующего исследования были выбраны круги с различными характеристиками и маркой материала.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования и теоретический расчет температурных полей, возникающих в зоне шлифования после окончания процессов наплавки и фрезерования.

При нанесении металлопокрытий на деталь температурные поля оказывают большое влияние на физико-механические свойства и износостойкость поверхностного слоя детали, а также на производительность процесса шлифования и стойкость шлифовального круга.

Для теоретического расчета температуры наплавленног о металла за основу использовалась методика расчета температурных палей наплавляемых по винтовой линии цилиндрических деталей, разработанная A.A. Орловым, а также работы Н.И. Бойко по расчету температурного поля в зонах механической обработки. Деталь рассматривалась как цилиндр, развернутый в эквивалентную в тепловом отношении пластину (рис. 3) по методике A.A. Орлова. Если предположить, что распространение теплоты происходит только по поверхности цилиндра, то при переходе к плоской модели это допущение компенсируется изменением толщины детали и введением дополнительных (фиктивных) источников теплоты. Температуры, возникающие в искомой точке тела, равны сумме двух одновременно действующих (основного и фиктивного) потоков теплоты.

■г.-К. •

Рис. 3. Схема развертки цилиндра в эквивалентную пластину и расположение фиктивных точек при наплавке: Ь - длина пластины; 5« - толщина расчетной пластины; 5, - толщина стенки цилиндра (детали); Яи - наружный радиус детали; Я. - внутренний радиус детали; И/, Л, - расстояния от сварочной дуги до фиктивных точек; Я,. <р< - полярные координаты точки А в стенке цилиндра; О - О, - траектория перемещения сварочной дуги

Для расчета температурных полей использовали уравнение (1) предельного состояния распространения тепла точечного источника постоянной мощности, движущегося с постоянной скоростью по поверхности полубесконечного тела:

-Гс[т1*1+>1+ъ) -К(Т!*1+У1Ч2П 6„)2-х4]

2 а со 0 2 а

^ к ^

л/*ГоТ л=1 ^х' + у\ +(2п?>п)2 ' (1)

Т{Ак,ъ) =

2-кк

где д = 0,24г1{//-4,1868,

<7 - эффективная мощность сварочной дуги, Дж/с; 0,24 - коэффициент перевода из электротехнических единиц в тепловые, кал/вт-с; г| = 0,8 - эффективный КПД процесса нагрева детали сварочной дугой; и - напряжение сварочной дуги, В; /-сила сварочного тока, А; 4,1868 - коэффициент перевода из кал/с в Дж/с; X. = 0,38 - коэффициент теплопроводности, Дж/(см с-К); Ус - скорость движения источника тепла (сварочной дуги) см/с: = + Гл2; У„ - линейная скорость движения сварочной дуги (подачи) вдоль оси детали, см/с: ¥п = 5Н-«Д, - продольная подача сварочной дуги, см/об.дет; яд - частота вращения детали, мин" ; У„ - линейная скорость вращения наплавляемой детали, см/с: К = р-Ид, р - расстояние между фиктивными точками, см: р = 2-7г/?н, Ян - наружный радиус детали, см; хк, ук - координаты фиктивных точек Ак основного источника теплоты в подвижной системе координат с центром в точке О: хк = -2-к-К„(к+(й); ук = - к=0, 1,2...и-номера фиктивных точек; ю — количество наплавленных валиков между сварочной дугой и шлифовальным кругом; а = 0,08 - коэффициент температуропроводности, см /с; п - количество наплавленных витков; 5П - толщина расчетной пластины, ' 8„ ^

5ц - толщина стенки цилиндра (детали) см: 8Ц = Л„ - /?в,

5п=5ц

1--У

Я, - внутренний радиус детали, см; для сплошной детали - 5Ц = /?„.

Температура в зоне шлифования от действий основного источника теплоты с учетом того, что было наплавлено т валиков, а затем сварочная дута была отключена, определяется по формуле:

т-1

Пк) = 2^ПАк,ю), (2)

*=0

где Т(Лк,ю) - температура фиктивных точек Ак бесконечной пластины; т - количество наплавленных валиков.

По данным теоретических расчетов и экспериментальных исследований были построены графики распределения температуры по длине детали для каждого наплавленного витка (рис. 4). Сравнение полученных кривых (рис. 4) показывает совпадение теоретических и экспериментальных данных,

расхождение результатов в среднем составляет 5 %. Отсюда можно сделать вывод о пригодности разработанной методики автоматизированного расчета температуры наплавленного металла в зоне шлифования в момент отключения сварочной дуги.

1400

1200

1000

О

П.

ел О. и С £ и Н

800

600 1

400

200

! 1 я

х- { /с о/ |

60 мм / 80 мм /( 100 м 1 120 м 1 -»» 1 Г-Й

и —г >4— Л 1 ^о1 ___~ л

1 — 1. — ^-тР"

г— т—т]' П! - —/е- т

1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Порядковый номер валика

Рис. 4. Исследование температурных полей в зоне шлифования деталей различных диаметров (— - теоретическая (расчетная) температура;

--температура, полученная по экспериментальным данным). Наплавка

пружинной проволокой 2 кл. под легированным флюсом (б/„р = 1,8 мм; 5Н= 4 мм/об.дет.); диаметр детали 60 мм (С/= 22 В; I = 190 А; па = 3 мин"1); диаметр детали 80 мм (£/ = 23 В; / = 200 А; «д = 2,25 мин"1); диаметр детали 100 мм (С/= 24 В; / = 210 А; пд = 1,8 мин"1); диаметр детали 120 мм (11=25 В; / = 220 А; лд = 1,5 мин'1)

Экспериментальные исследования распределения температуры наплавленного металла по глубине детали показали, что температурные поля наплавленного слоя металла на глубине 2 мм практически не отличаются от температурных полей на поверхности детали. Это позволяет при их оценке опираться на температуру, возникающую на поверхности детали. Поэтому трудоемкие экспериментальные исследования можно заменить теоретическими расчетами с целью их облегчения и выбора оптимальных режимов электродуговой наплавки.

В четвертой главе представлен анализ влияния режимов обработки торцевой фрезой на качество поверхности обрабатываемой детали. Выполнены

экспериментальные исследования износа различных шлифовальных кругов, сил резания, возникающих при обработке горячего наплавленного металла, и влияния режимов шлифования на качество поверхности детали. Решена задача по созданию методики автоматизированного расчета сил резания в зависимости от режимов обработки.

Для выбора рациональных режимов шлифования необходимо знать состояние поверхности детали после электродуговой наплавки и фрезерования, т. к. выбор режимов фрезерования оказывает существенное влияние на качество наплавленного слоя металла. Под качеством подразумеваются геометрические характеристики, связанные с шероховатостью поверхности детали. Макронеровности поверхностей, вызванные технологическими режимами обработки деталей, решающим образом определяют качество соединений сопряженных пар и их эксплуатационные свойства. В случае применения торцевого фрезерования при обработке цилиндрических деталей основными характеристиками неровностей являются высота неровностей и ширина огранки.

Анализ результатов исследования влияния режимов фрезерования на шероховатость поверхности детали показывает, что:

- увеличение скорости резания горячего наплавленного металла от 157м/мин до 283 м/мин понижает шероховатость поверхности от 30 мкм до 13 мкм;

- увеличение окружной подачи фрезы приводит к увеличению как продольной, так и поперечной шероховатости поверхности;

- изменение продольной подачи фрезы значительного влияния на шероховатость поверхности не оказывает;

- изменение глубины резания в диапазоне 0,5...1,0 мм при скорости резания 220 м/мин, окружной подаче 0,124 мм/зуб и продольной подаче 4 мм/об. дет значительного влияния на шероховатость поверхности не оказывает, она лежит в пределах 14. ..16 мкм.

Измерения огранки поверхности (шага и высоты неровностей), обработанной фрезой в процессе наплавки на следующих режимах: скорость резания 94...345 м/мин; окружная подача 0,24...0,065 мм/зуб; глубина резания 0,5... 1,0 мм, показали, что высота неровностей при заданных режимах обработки находится в пределах 14...3,8 мкм, а шаг неровностей 235...64,3 мкм. Несмотря на то что фрезерование наплавленного металла позволяет получить поверхность, соответствующую 5-у классу шероховатости, но из-за наличия на поверхности огранки его следует применять только в качестве промежуточной операции при переходе от наплавки к шлифованию.

Исследован износ различных марок шлифовальных кругов 24А25ПСМ17К2А, 24А32ПСМ16К26, 24А25ПМ37К5, 24А40ПМ35К1 (ГОСТ 2424-83) (материал - электрокорунд белый); 34А25СМ25К6 (ГОСТ 2424-83) (материал - электрокорунд хромистый); 91А32ПСМ16К8 и 91А40ПМ38К5

(ГОСТ 2424-83) (материал - электрокорунд хромотитанистый); 63С16ПСМ17К1А и 63С25ПМ35К1 (ГОСТ 2424-83) (материал - карбид кремния зеленый). Форма и размер шлифовальных кругов ПП-250><32х32 мм. Цилиндрические детали наплавлялись пружинной проволокой 2 кл. под флюсом АН-348А с добавлением 2,5 % графита и 2 % феррохрома (легированный). Наплавленный металл в холодном (20 °С) состоянии обладает высокой твердостью 58...62 НЯС.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что лучшие результаты по износу, стойкости, качеству обработанной поверхности и силам резания показывают мягкие круги марки 24А40ПМ35К1. Это объясняется тем, что потеря режущей способности при шлифовании горячего наплавленного металла происходит вследствие засаливания рабочей поверхности круга. Мягкие круги имеют меньшую твердость, чем среднемягкие, а следовательно, абразивные зерна быстрее выкрашиваются и в работу вступают новые абразивные зерна с острыми вершинами, происходит процесс самозатачивания. При этом износ кругов уменьшается в 1,7...4,5 раза по сравнению со шлифованием холодного наплавленного металла на тех же режимах. На рисунке 5 показан износ шлифовальных кругов твердостью М.

Установлено, что при шлифовании горячего наплавленного металла силы резания Рг и Ру уменьшаются в 2...3 раза по сравнению со шлифованием холодного.

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 Время работы, мин

Рис. 5. Износ мягких кругов при шлифовании холодного и горячего наплавленного металла: 1 — круг 24А25ПМ37К5; 2 - круг 24А40ПМ35К1;

3 - круг 91А40ПМ38К5; 4 - круг 63С25ПМ35К1 (-холодный наплавленный

металл; — горячий наплавленный металл)

С увеличением глубины резания г и продольной подачи шлифовального круга 5К силы Рг и Ру возрастают. При шлифовании холодного наплавленного металла мягкими кругами Ру - в 1,8...2,3 раза больше Р2, а горячего наплавленного металла - в 1,4...1,8 раза. Это объясняется тем, что при повышении температуры сталей их предел прочности а„ снижается, а, следовательно, для срезания стружки абразивным зернам шлифовального круга требуется меньшее усилие, что, в конечном счете, приводит к уменьшению сил Рг и Ру, испытываемых шлифовальным кругом в целом. Используя результаты экспериментальных исследований, были выведены формулы для определения тангенциальных (касательных) сил Рг и радиальных Ру при шлифовании горячего наплавленного металла мягкими и среднемягкими кругами в зависимости от глубины шлифования ( и продольной подачи шлифовального круга

Формулы для расчета сил резания при шлифовании мягкими кругами имеют вид:

Я(?А) я 67,7 + 232,08Д/+ 9,02Д5„ + ^(41,42^+20,28^^ +1,48А5к2),

где I — глубина шлифования, < = 0,1.. .0,5 мм;

Л/ = / - /0, А' может принимать значения {0; ±0,1; ±0,2};

¿о — середина промежутка изменения величины /, мм;

- продольная подача шлифовального круга, = 1... 5 мм/об.дет;

Д£к = 5« - 5к0, может принимать значения {0;±1;±2};

¿'„о - середина промежутка изменения величины мм/об.дет.

РД/, )»120,5+315,88Дг+13,33+ ^ (79,26Д/Д£,, - 665,99Дг2 +1,17). При шлифовании среднемягкими кругами:

Р, С, )~ 78,5 + 356,94ДГ + 9,64Д5, +1 (1323,57Д/2 + 33,86Д/Д5, + 0,06Д52);

Ру(<,) ~ 140,1 + 460,16Д/ +17,57^, + ^(1027,ОЗД/2 +16,7ША5, - 1,89М2).

На рисунках 6(аиб)и7(аиб) представлено сравнение экспериментальных и расчетных данных сил резания при шлифовании мягкими и среднемягкими кругами соответственно.

На основании представленной математической модели была разработана методика автоматизированного расчета сил резания при шлифовании горячего наплавленного металла. Алгоритм написан с использованием математического пакета МаЛСАО.

Разработанные уравнения для расчета тангенциальных (касательных) сил резания Рг и радиальных (нормальных) Ру, возникающих при шлифовании горячего наплавленного металла в диапазоне значений / = 0,1...0,5 мм и = 1...5 мм/об.дет., дают достаточно точные результаты, относительная

погрешность составляет от 1 до 7 %, что позволяет заменить трудоемкие экспериментальные исследования теоретическими расчетами.

2 3 4

Продольная подача круга 5 к, мм/об.дет

250 200

Я

°М50

б)!

Г100

50

»=0,5 мм /=0,4 мм /=0.3 мм

1 =0,2 мм

1^=-=^=-=-—- ;-- ... .г —- г =0,1 мм

11---- —■--

2 3 4

Продольная подача круга 5 к, мм/об.дет

Рис. 6. Экспериментальные и расчетные кривые сил резания Рг (а) и Ру (б) при шлифовании горячего наплавленного металла мягким кругом (— по экспериментальным данным; — по расчетным данным)

1

2 3 4

Продольная подача круга 5 к, мм/об.дет

5

Продольная подача круга 5 к, мм/об.дет

Рис. 7. Экспериментальные и расчетные кривые сил резания Рг (а) и Ру (б) при шлифовании горячего наплавленного металла среднемягким кругом (— по экспериментальным данным; — по расчетным данным)

Исследования шероховатости поверхности проводились с применением профилографа-профилометра модели М-201. Для исследования и фотографии микроструктуры образцов использовали металломикроскоп МИМ-8. Для выявления микроструктуры образцы, вырезанные из наплавленных деталей, полировались на сукне с суспензиями окиси хрома, а затем окиси магния, затем травились 4 % раствором азотистой кислоты в этиловом спирте. Целью исследования являлось определение влияния механической обработки наплавленного металла как в горячем, так и в холодном состоянии на его структуру посередине валиков и в зоне наложения валиков друг на друга.

Исследованиями установлено, что наплавка под слоем легирующего флюса и обработка наплавленного металла в горячем состоянии способствуют улучшению структуры наплавленного слоя металла. Наплавленный металл имеет более мелкозернистую и однородную структуру по всей длине детали. Исследование поверхности детали, обработанной шлифовальным кругом в горячем состоянии после отключения горения сварочной дуги и отвода фрезы в сравнении со шлифованием наплавленного металла в холодном состоянии, показало, что шероховатость поверхности при обработке в горячем состоянии, измеренная вдоль детали, составляет 8... 10 мкм. В наплавленном металле исчезают шлифовальные трещины, которые наблюдаются при шлифовании наплавленного металла в холодном состоянии. Также при шлифовании горячего наплавленного металла увеличивается стойкость шлифовальных кругов. Данная технология восстановления рекомендуется для деталей, на поверхности которых не допускается наличия трещин.

В пятой главе проведены исследования влияния обработки наплавленного слоя металла как в горячем, так и в холодном состоянии на его износостойкость и остаточные напряжения в поверхностном слое металла восстанавливаемой детали. Выполнен технико-экономический расчет эффективности применения предлагаемой технологии восстановления цилиндрических деталей машин. Даны практические рекомендации по применению предложенной технологии ремонтно-восстановительных работ в машиностроении.

Исследование износостойкости наплавленного металла деталей производилось в лабораторных условиях на машине трения СМЦ-2.

Целью исследования являлось изучение влияния обработки наплавленного металла как в горячем, так и в холодном состоянии на его износостойкость.

Из наплавленной детали вырезались образцы в виде роликов шириной 10 мм. В качестве контробразца использовались колодочки из бронзы Бр05Ц5С5 (ГОСТ 613-79). В качестве смазки применялось масло авиационное «МС-14» (ГОСТ 21743-86). Общая длина пути трения составляла 50 ООО м при десяти циклах по 5 ООО м каждый. Скорость скольжения трущихся пар составляла 1 м/с, удельное давление 5 МПа.

Экспериментальные исследования показали, что у деталей, наплавленных пружинной проволокой 2-го класса под легирующим флюсом с обработкой в горячем состоянии, износ уменьшается на 30 % по сравнению с деталями, наплавленными; и обработанными в холодном состоянии (рис. 8). Такие результаты объясняются тем, что обработка деталей в горячем состоянии способствует улучшению структуры, повышению поверхностной твердости и микротвердости по глубине наплавленного слоя металла, а это в конечном итоге положительно сказывается на износостойкости деталей.

45

40

35

и 30

г

Ь 25

О

О 20

я

СО

к 15

10

1 --Л

__—С ---- 1----

с г*

1 /

( ___ 1

/ / \

// А >

и

О 5 10 И 20 25 30 35 40 45 50

Длина пути Д тыс. м

Рис. 8. Износ образцов, наплавленных пружинной проволокой 2-го класса, в зависимости от пути трения при удельном давлении 5 МПа: 1 - обработка в холодном состоянии; 2 — обработка в горячем состоянии;

- под флюсом АН-348А;-----под легированным флюсом)

Исследования остаточных напряжений в наплавленном слое металла проводились на установке, разработанной В.А. Какуевицким и И.В. Рагуцким, с использованием микроскопа УИМ-21 и прибора ПМТ-3.

Исследование тангенциальных и осевых остаточных напряжений показало, что по глубине наплавленного металла действуют благоприятные сжимающие тангенциальные и осевые напряжения (до 230 МПа). При этом у деталей, обработанных в горячем состоянии, тангенциальные и осевые остаточные напряжения по величине на 50...60 МПа больше, чем у деталей, обработанных в холодном состоянии.

Такие результаты исследований объясняются тем, что при шлифовании наплавленного металла в холодном состоянии в момент, когда абразивные зерна шлифовального круга производят микрорезание, тонкий поверхностный слой сильно разогревается, в то время как нижние слои остаются не нагретыми.

В этот момент поверхностный слой стремиться расширится, но, испытывая сопротивление со стороны ниже лежащих слоев, окажется пластически сжатым, а временное термическое напряжение будет сжимающим, в результате возникает пластическая деформация слоя. Но в момент, когда поверхностный слой остынет, пластически сжатый слой, испытывая сопротивление к сокращению со стороны нижележащих слоев, окажется под действием остаточных растягивающих напряжений. Иная картина будет в случае, если деталь прогреется равномерно. При равномерном прогреве поверхностные слои свободно расширяются и никаких напряжений в них не возникает. В следующий момент, когда верхний слой остынет, а нижние будут еще нагреты. В этот момент поверхностный слой, стремясь сократиться, будет испытывать сопротивление со стороны нижележащих слоев. Растягивающие напряжения вызовут в нем пластическую деформацию. Далее, когда нижние слои тоже охладятся и сократятся, пластически деформированный поверхностный слой окажется под действием сжимающих остаточных напряжений. Исследования остаточных напряжений по глубине и длине деталей позволили сделать вывод о благоприятном влиянии обработки наплавленного металла в горячем состоянии, т. к. в поверхностном слое наблюдаются благоприятные сжимающие напряжения, которые способствуют повышению усталостной прочности восстановленных деталей.

В результате исследований накоплено большое количество сведений и рекомендаций, касающихся выбора технологических режимов восстановления детали и их влияния на качество поверхности.

Расчет экономической эффективности проводился на примере годовой программы восстановления деталей путевых машин по данным Тихорецкой машинизированной дистанции пути 2012 года.

Использование в процессе наплавки легирования поверхностного слоя и обработки горячего наплавленного металла позволило исключить из технологической цепи восстановления изношенных деталей следующие операции:

- закалку ТВЧ;

- транспортную операцию.

Опираясь на произведенные расчеты себестоимости двух сравниваемых вариантов восстановления деталей, определено, что годовой экономический эффект от внедрения новой технологии восстановления составляет 765 784,39 руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Проведены исследования износа цилиндрических деталей путевых машин.

Установлено, что величина износа деталей, поступающих в ремонтные

мастерские, лежит в пределах 0,5...1 мм. Распределение величин износа подчиняется закону нормального распределения.

2 Проведены экспериментальные исследования распределения величины температурного поля на поверхности детали и на глубине 2 мм после окончания процессов наплавки и фрезерования. Установлено, что величина температурного поля на глубине, практически не отличается от температуры на поверхности детали. Это позволяет использовать разработанную методику теоретического расчета температуры наплавленного металла в зоне шлифования после отключения горения сварочной дуги и отвода фрезы.

3 Установлено, что при шлифовании горячего наплавленного металла мягкими кругами силы резания уменьшаются в 2...3 раза по сравнению со шлифованием холодного наплавленного металла на тех же режимах, износ шлифовальных кругов уменьшается в 2...4 раза, а производительность повышается в 1,5...3,5 раза. На основании экспериментальных исследований получены экспериментальные зависимости для расчета сил резания.

4 Исследована шероховатость поверхности детали, наплавленной с одновременным фрезерованием и последующим шлифованием мягкими кругами. Исследование показало, что шероховатость поверхности при обработке детали в горячем состоянии, измеренная вдоль детали, составляет 8...10 мкм. В наплавленном металле исчезают шлифовальные трещины, которые наблюдаются при шлифовании наплавленного металла в холодном состоянии.

5 Исследована микроструктура поверхности восстановленной детали при различных режимах обработки. Установлено, что фрезерование и шлифование горячего наплавленного металла не ухудшает, а способствует улучшению структуры наплавленного металла. По длине детали структура наплавленного металла получается более однородна.

6 Проведены экспериментальные исследования относительной износостойкости наплавленного металла деталей, восстановленных аналогичным существующему и предлагаемым способом, в условиях граничного трения. Исследованиями установлено, что детали, восстановленные предлагаемым способом, имеют большую износостойкость, чем детали, восстановленные способом, аналогичным существующему.

7 Исследования остаточных напряжений по глубине и длине деталей обработанных как в горячем, так и в холодном состоянии, показали, что при обработке наплавленного металла в горячем состоянии в поверхностном слое наблюдаются благоприятные сжимающие напряжения, которые способствуют повышению усталостной прочности восстановленных деталей.

8 Выполнен технико-экономический расчёт эффективности применения предлагаемого способа восстановления изношенных цилиндрических

деталей путевых машин. В результате расчета установлено, что экономическая эффективность достигается за счет:

- исключения дополнительной технологической операции - закалки ТВЧ;

- уменьшения времени на восстановление изношенной детали (исключается операция, связанная с транспортировкой восстанавливаемой детали);

- снижения общей трудоемкости ремонта;

- повышения срока службы восстановленных деталей.

Расчет годового экономического эффекта выполнялся на примере ПЧМ-2-Тихорецк и составил 765 784,39 руб.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК

1 Бойко, Н.И. Усилия резания при шлифовании горячего наплавленного металла [текст] / Н.И. Бойко, К.С. Фисенко // Вестник РГУПС. - 2011. - № 4. - С. 25-28.

2 Бойко, Н.И. Распределение температуры наплавленного металла цилиндрической детали после отключения сварочной дуги перед шлифованием [Электронный ресурс] / Н.И. Бойко, К.С. Фисенко // Вестник УрГУПС. - 2011.

- № 3. - С. 28-36. - Систем, требования : Adobe Reader. URL: httpV/www.usurt.ru/vestnik/arxiv/009_l_20_3_l .pdf (дата обращения: 26.08.2013).

3 Бойко, Н.И. Исследование качества поверхности наплавленного металла цилиндрической детали обработанной в горячем состоянии [Электронный ресурс] / Н.И. Бойко, К.С. Фисенко // Инженерный вестник Дона. - 2012. -№ 2. - Систем, требования : Adobe Reader, Microsoft Office. URL : http://ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/746 (дата обращения: 28.08.2013).

4 Бойко, Н.И. Шлифование горячего наплавленного металла мягкими и среднемягкими кругами [текст] / Н.И. Бойко, К.С. Фисенко // Вестник ДГТУ. -2012.-Ко 1.-С. 86-94.

5 Бойко, Н.И. Исследование износостойкости наплавленного металла и эффективности применения комбинированного способа восстановления цилиндрических деталей [текст] / Н.И. Бойко, К.С. Фисенко // Вестник РГУПС. - 2012.-№3.-С. 12-16.

Статьи, опубликованные в прочих изданиях

6 Бойко, Н.И. Усилия резания при шлифовании горячего наплавленного металла цилиндрических деталей [текст] / Н.И. Бойко, К.С. Фисенко // Тр. 11 Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня», апрель 2009 г. в 2 ч. Ч. 1. / Изд. политехнического университета. - СПб., 2009.-С. 30-37.

7 Бойко, Н.И. Исследование температуры наплавленного металла детали в зонах фрезерования и шлифования [текст] / Н.И. Бойко, К.С. Фисенко // Тр.

Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2009», апрель 2009 г. в 3 ч. Ч. 1. - Ростов н/Д : РГУПС, 2009. - С. 426^28.

8 Фисенко, К.С. Особенности износа шлифовальных кругов при обработке металла [текст] / К.С. Фисенко // Тр. Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2009», апрель 2009 г. в 3 ч. Ч. 1. - Ростов н/Д : РГУПС, 2009. - С. 445-447.

9 Бойко, Н.И. Состояние поверхности наплавленной детали после фрезерования перед шлифованием [текст] / Н.И. Бойко, К.С. Фисенко // Тр. Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство», октябрь 2009 г. - Ростов н/Д : РГУПС, 2009. - С. 20-21.

10 Фисенко, К.С. Расчет усилий резания при шлифовании горячего наплавленного металла [текст] / К.С. Фисенко // Тр. Международной научно-практической конференции «Наука и образование транспорту», октябрь 2009 г. - Самара : СамГУПС, 2009. - С. 188-190.

11 Бойко, Н.И. Качество поверхности наплавленной детали после шлифования [текст] / Н.И. Бойко, К.С. Фисенко // Тр. Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2010», апрель 2010 г. в 3 ч. Ч. 3. -Ростов н/Д : РГУПС, 2010. - С. 103-104.

12 Фисенко, К.С. Исследования усилий резания при шлифовании наплавленного металла [текст] / К.С. Фисенко // Тр. Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2011», апрель 2011 г. в 3 ч. Ч. 2. -Ростов н/Д :РГУПС, 2011.-С. 139-141.

13 Фисенко, К.С. Расчет температуры профрезерованного металлопокрытия перед шлифованием детали в момент выключения сварочной душ [текст] / К.С. Фисенко // Тр. Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2011», апрель 2011 г. в 3 ч. Ч. 2. - Ростов н/Д: РГУПС, 2011. - С. 142-144.

14 Бойко, Н.И. Исследование остаточных напряжений в наплавленном слое металла восстановленных цилиндрических деталей [текст] / Н.И. Бойко, И.М. Алексаньян, К.С. Фисенко // Тр. Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2012», апрель 2012 г. в 3 ч. Ч. 2. - Ростов н/Д : РГУПС, 2012.-С. 128-129.

15 Фисенко, К.С. Автоматизированный расчет усилий резания при шлифовании горячего наплавленного металла [текст] / К.С. Фисенко // Тр. Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2012», апрель 2012 г. в 3 ч. Ч, 2. - Ростов н/Д : РГУПС, 2012. - С. 149-151.

16 Бойко, Н.И. Эффективность шлифования холодных и горяче-наплавленных деталей мягкими и среднемягкими кругами [Электронный ресурс] / Н.И. Бойко, И.М. Алексаньян, К.С. Фисенко // IV Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии», сентябрь 2012 г. - Ростов н/Д : Изд. центр Донск. гос. техн. ун-та, 2012. - С. 17-19. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

Фисенко Константин Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЗА СЧЕТ СОВМЕЩЕНИЯ ПРОЦЕССОВ НАПЛАВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность: 05.02.08 - «Технология машиностроения»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 7.10.2013. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,6.

Тираж 150. Зак<73 7097.

Ризография ФГБОУ ВПО РГУПС.

Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. им. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2.

Фисенко К.С. prolOOkoss@mail.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО РГУПС)

04201365527

На правах рукописи

ФИСЕНКО КОНСТАНТИН СЕРГЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЗА СЧЕТ СОВМЕЩЕНИЯ ПРОЦЕССОВ НАПЛАВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность: 05.02.08 - «Технология машиностроения»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Н.И. БОЙКО

Ростов-на-Дону 2013

С2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................8

1.1 Анализ способов наплавки цилиндрических деталей машин........................8

1.2 Применяемые наплавочные материалы, химический состав наплавленного металла.........................................................................................19

1.3 Анализ и статистическая обработка экспериментальных исследований величин износа цилиндрических деталей путевых машин......23

1.4 Механическая обработки горячего наплавленного металл.........................30

1.4.1 Влияние температуры нагрева стали на её свойства и механическую обработку......................................................................................33

1.4.2 Анализ способов механической обработки

горячего наплавленного металла.........................................................................36

1.5 Влияние качества рабочих поверхностей деталей машин

на их эксплуатационные свойства.......................................................................41

Цели и задачи исследования.................................................................................46

2 УСТАНОВКА, ИНСТРУМЕНТ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА.............48

2.1 Установка для комплексной наплавки и механической обработки цилиндрических деталей.......................................................................................48

2.2 Влияние режимов наплавки на геометрические характеристики поверхности деталей.............................................................................................52

2.3 Инструмент для механической обработки

горячего наплавленного металла.........................................................................58

Выводы...................................................................................................................64

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ...................................................65

3.1 Теоретический расчет температурных полей, возникающих в зоне

шлифования цилиндрических деталей после отключения сварочной

дуги..........................................................................................................................65

3.2 Экспериментальные исследования температурных полей, возникающих в зоне шлифования после отключения

сварочной дуги...........................................................................................72

3.3 Анализ теоретических и экспериментальных исследований

температурных полей наплавленного металла...................................................78

Выводы...................................................................................................................82

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ГОРЯЧЕГО НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ...................................................83

4.1 Состояние поверхности наплавленного слоя металла после фрезерования перед шлифованием......................................................................83

4.2 Шлифование наплавленного металла в горячем состоянии.......................89

4.2.1 Особенности износа абразивных кругов....................................................89

4.2.2 Экспериментальные исследования усилий резания

при шлифовании горячего наплавленного металла.........................................100

4.2.3 Расчетные зависимости усилий резания при шлифовании

горячего наплавленного металла.......................................................................110

4.3 Состояние поверхности детали после шлифования...................................121

Выводы.................................................................................................................134

5 ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА В ГОРЯЧЕМ СОСТОЯНИИ НА ЕГО ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

И ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ. РАЦИОНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОВМЕЩЕНИЯ ПРОЦЕССОВ НАПЛАВКИ И ОБРАБОТКИ

ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ............................................................135

5.1 Исследование износостойкости наплавленного металла..........................135

)

5.2 Исследование влияния обработки наплавленного металла

в горячем состоянии на остаточные напряжения в деталях...........................138

5.3 Практические рекомендации по выбору режимов

восстановления деталей......................................................................................147

5.4 Технико-экономическое обоснование целесообразности совмещения процессов наплавки и механической обработки горячего наплавленного

металла цилиндрических деталей......................................................................160

Выводы.................................................................................................................170

Основные выводы................................................................................................172

Литература............................................................................................................174

Приложение..........................................................................................................193

ВВЕДЕНИЕ

Одной из главных задач научно-технического прогресса является внедрение в промышленность технологических процессов, обеспечивающих повышение производительности труда, увеличение коэффициента использования материалов, уменьшение энергоемкости и себестоимости восстановления деталей, за счет внедрения прогрессивных ресурсосберегающих технологических методов их обработки.

Непрерывно возрастающие требования к качеству выпускаемых машин и оборудования связаны с необходимостью повышения их точности и надежности, производительности и коэффициента полезного действия (КПД), которые в значительной мере определяются эксплуатационными свойствами деталей и узлов. Многочисленные исследования [1] показали, что до 80 % случаев выхода из строя машин при эксплуатации происходит из-за износа в сопряжениях узлов трения. Опыт ремонтных предприятий показывает, что свыше 60 % изношенных деталей машин могут быть восстановлены, так как их ресурс по прочности выше, чем по износостойкости [2].

Приоритетным направлением в ремонтном производстве является максимально эффективное использование остаточного ресурса деталей по долговечности за счет повышения износостойкости восстановленных деталей машин.

Одним из методов повышения износостойкости трущихся поверхностей является изменение их химического состава, путем внедрения легирующих компонентов для образования структур, хорошо сопротивляющихся процессам изнашивания. Но ограничивающим фактором при этом является то, что механическая обработка износостойкого наплавленного металла высокой твёрдости в холодном состоянии детали затруднена, так как наплавленный металл обладает высокой истирающей способностью и сопротивлением резанию, что затрудняет снятие стружки, при этом стойкость режущего инструмента оказывается весьма низкой. В связи с этим, академиком

В.Д. Кузнецовым впервые теоретически был произведен анализ возможности производства обработки резанием нагретых металлов [3]. Он пришел к выводу, что высокая производительность и высокая стойкость инструмента при горячей резке металлов вызвана снижением механической прочности и твёрдости, а также возрастанием пластичности нагретого металла. При этом временное сопротивление разрыву является наиболее важной характеристикой обрабатываемости. С повышением температуры нагрева сталей предел прочности их снижается. Для срезания стружки одного и того же сечения -требуется меньшая мощность, чем при холодной обработке детали [3-5].

В связи с этим актуальным направлением является разработка ресурсосберегающей технологии восстановления деталей машин, заключающейся в совмещении в единой технологической схеме процессов наплавки изношенных цилиндрических деталей с одновременным фрезерованием и последующим шлифованием горячего наплавленного слоя металла.

Совмещение процессов автоматической электродуговой наплавки под слоем легирующего флюса, фрезерования и последующего шлифования наплавленного слоя металла при незначительных затратах позволяет: эффективно использовать остаточный ресурс деталей по долговечности; улучшить структуру наплавленного металла; повысить усталостную прочность и износостойкость восстановленных деталей. Это в свою очередь положительно отразится на сроках службы восстановленных деталей. Применение шлифования горячего наплавленного слоя металла является окончательной операцией в комбинированной схеме восстановления, что позволяет сократить общее время, необходимое для полного восстановления изношенных деталей машин и тем самым повысить производительность восстановительных работ. В свою очередь легирование наносимого слоя металла позволяет исключить необходимость в последующей закалке деталей токами высокой частоты и тем самым снизить себестоимость восстановительных работ.

Простота этого способа восстановления является доступным практически для всех ремонтных заводов железнодорожного транспорта, но недостаточная изученность процесса и отсутствие технологических режимов восстановления, является сдерживающим фактором внедрения его в ремонтную практику.

Таким образом, актуальность темы с одной стороны обусловлена, практической необходимостью широкого применения ресурсосберегающей технологии восстановлении изношенных деталей машин, а с другой стороны недостаточно точным пониманием данной технологии.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературных источников, приложения. Работа содержит 216 листов машинописного текста, 95 рисунков, 36 таблиц, 184 литературных источника, 3 приложения.

Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация и ремонт машин» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения».

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ литературных источников показал, что вопросами повышения эффективности абразивной обработки в разное время занимались следующие коллективы МГТУ «Станкин», МГТУ им Н.Э. Баумана, МГАПИ, МИИТ, Белорусского, Санкт-Петербургского, Ульяновского, Саратовского, Одесского государственных университетов. Отечественные ученые и специалисты Г.М. Ипполитов, П.Е. Дьяченко, И.В. Гребенщиков, A.B. Шубников, Г.В. Бокуча-ва, П.А. Ребиндер, E.H. Маслов, Л.А. Глейзер, П.И. Ящерицын, A.B. Якимов, B.C. Корсаков, А.И. Исаев, С.Г. Редько, A.B. Подзей, A.A. Маталин, Г.Б. Лурье, В.А. Шальнов, Ю.Н. Полянчиков, С.Н. Корчак, A.B. Королев, Н.В. Носов, Л.В. Худобин, Д.Г. Евсеев, Н.И. Бойко и многие други внесли большой вклад в решение проблемы эффективности обработки металлов абразивным инструментом. Оценку режущей способности шлифовальных кругов и обрабатываемости шлифованием рассматривали Н.И. Волский, H.H. Васильев, В.Д. Глясе, В.А. Рыбаков, Г.Ф. Кудасов, и многие другие; исследование физико-механических свойств и выбор рационального способа восстановления Д.Г. Вадивасов, П.Н. Волков, Е.Л. Воловик, Н.Ф. Грохольский, В.А. Деев, Н.И.Доценко, Н.И. Иващенко, К.Т. Кошкин, И.В. Кудрявцев, М.П. Мелков, В.А. Наливкин, Ю.Н. Петров, В.И. Черноиванов, В.А. Шадричев и многие другие.

1.1 Анализ способов наплавки цилиндрических деталей машин

Быстрое разрушение изделий, работающих при высоких скоростях, нагрузках и температурах, а также в условиях абразивного, коррозионного и других видов воздействия, требует разработки и внедрения в производство новых методов их упрочнения и восстановления.

Среди многообразия методов нанесения износостойких покрытий особое место занимают наплавки, при которых за счет тепла внешнего источника подплавляются поверхность покрываемого материала и наплавляемый сплав. Происходит их взаимодействие с образованием металлургической связи. Из термодинамических условий взаимодействия необходимо преодолеть определенный энергетический барьер, величина которого характеризуется энергией активации. Теоретически при температуре 920... 1030 °С по всей площади контакта «обрабатываемая поверхность - расплав наплавленного материала» может образоваться прочная металлическая связь.

Технология наплавки обладает преимуществами получения достаточно большой толщины покрытия, высокой производительности, отсутствия ограничений по размерам наплавляемых поверхностей. При этом образуется слой с требуемым химическим составом, высокой твердостью и износостойкостью.

На рисунке 1.1 представлена классификация способов наплавки, а в таблице 1.1 показатели методов нанесения наплавленного металла.

В общем объеме работ по восстановлению деталей на ремонтных предприятиях на долю различных видов наплавок приходится - 77 %, электроконтактного припекания - 6 %, гальванических способов - 5 %, электромеханической обработки - 4 %, заливки жидким металлом - 2 %, восстановления полимерами - 4 %, других способов - 5 %. В настоящее время широко используются различные технологические способы для наплавки материалов на восстанавливаемую поверхность детали. Рассмотрим достоинства и недостатки способов наплавки, применение которых возможно в единой технологической схеме восстановления изношенных цилиндрических деталей при совмещении операций наплавки и механической обработки.

Рис. 1.1. Классификация способов наплавки

Таблица 1.1

Показатели методов нанесения наплавленного металла

Методы наплавки Производительность метода (толщина покрытия до 1 мм) Толщина наносимого слоя, мм Припуск на ме-хани-чес-кую обработку, мм Доля основного металла в наплав ленном, % Проч ность сцепления, МПа Деформация детали после наплавки Ми-ни-маль ный диаметр детали, Сни же- ние со- про тив ле- ния уста лос Коэффициент произ-води-тельно- сти (толщина по- Коэффициент техни-ко-эко-номи-ческой эффек-

кг/ч 2 см /мин мм ти, % крытия до 1 мм) тивности

Под флюсом 2,0-15 16-24 0,8-10 0,8-1,5 27-60 650 Значит. 45 15 1,62-1,45 0,436

Вибродуговая 0,5-4 8,0-22 0,3-3 0,7-1,3 8,0-20 500 Незнач. 10 35 0,85-0,72 0,25

В среде С02 1,5-4,5 18-36 0,5-3,5 0,7-1,3 12-45 550 Значит. 15 15 1,82-1,77 0,403

Электроконтактная 1-2,8 50-90 0,2-1,5 0,2-0,5 - 300 Незнач. 15 25 2,3-2,1 0,66

Порошковыми проволоками 2,0-9 16-36 1,0-8 0,6-1,2 12-35 600 Значит. 20 15 1,75-1,54 0,4

Ручная газовая 0,15-2 1,0-3 0,4-3,5 0,4-0,8 5,0-30 480 Значит. - 25 0,73-0,58 0,138

Плазменная 1,0-12 45-72 0,2-5 0,4-0,9 5,0-30 490 Незнач. 12 12 2,2-1,9 0,56

Ручная дуговая 0,4-4 8,0-14 0,5-4 1,1-1,7 20-40 500 Значит. - 60 1 0,314

Аргонодуговая 0,3-3,6 12,0-26 0,2-2,5 0,4-0,9 6,0-25 450 Незнач. 12 25 2,1-1,7 0,171

Плазменная наплавка. Сущность плазменной наплавки заключается в том, что дуга (ток переменный) горит между двумя неплавящимися электродами, или же (ток постоянный) - между одним из неплавящихся электродов и присадочным материалом. Высокотемпературная плазменная дуга используется для нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности новых деталей, например, клапанов двигателей. Возможность практического применения струи плазмы определяется ее эффективной тепловой мощностью, скоростью плазменного потока и распределением температуры в струе, которые, в свою очередь, зависят от конструкции сопла горелки, расхода газа и силы тока. Указанные параметры определяют также глубину проплавления, не превышающую 0,1...0,6 мм. Потери теплоты в ходе плазменной наплавки могут достигать 35 %.

К достоинствам способа можно отнести [6-8, 10]: малое проплавление основного металла; универсальность и гибкость технологии; возможность наплавки слоев малой толщины.

Недостатками способа являются [6, 9, 10]: низкая производительность процесса; нестабильность качества наплавленного слоя, несплавление наносимого покрытия с основным металлом.

Наиболее оптимальное рабочее напряжение и температура плазменной струи обеспечиваются в среде аргона и других инертных газов.

При наплавке методом прямой дуги по отношению к наплавляемой детали применяют сжатую дугу прямого или косвенного действия. В зону наплавки подаются различные присадочные материалы: проволока, две проволоки, порошок одновременно с проволокой, только порошок. Наплавка может производиться по слою крупнозернистого порошка, заранее насыпанного на поверхность; с подачей порошка в сварочную ванну из основного металла; с подачей порошка в плазменную струю, плавлением его в этой струе и переносом на поверхность изделия.

Наплавка под слоем флюса. Способ характеризуется большой производительностью в результате применения высоких плотностей тока; возможностью управления составом и свойствами наплавленного покрытия за счет дополнительного легирования; возможностью получения толщины покрытия до 0,8... 10 мм. Схема наплавки под слоем флюса цилиндрических деталей представлена на рисунке 1.2. Наплавка под слоем флюса широко используется для восстановления деталей подвижного состава, автомобилей, тракторов, путевых машин и т. д.

Рис. 1.2. Схема наплавки под слоем флюса цилиндрических деталей: 1 - электрод; 2 - мундштук; 3 - флюс; 4 - флюсопровод; 5 - электрическая

дуга; 6 - расплав�