автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Математическое, технологическое и алгоритмическое обеспечение проектирования процессов упрочняющей и восстановительной наплавки деталей и оснастки для обработки горячего металла

МОГИЛЕВСКИЙ МАПВШОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ УДК 621.791.92:658.012.011.56

РГБ ОД

1 О МАЙ 2000

ЦЫКУНОВА ТАТЬЯНА ВАСИЛЬЕВНА

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ УПРОЧНЯЮЩЕЙ И ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ НАПЛАВКИ ДЕТАЛЕЙ И ОСНАСТКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ГОРЯЧЕГО МЕТАЛЛА

Специальность

05.03.06. "Технология и машины сварочного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Могилев, 2000

Работа выполнена в Могилевском машиностроительном институте

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Павток Сергей Кириллович

Научный консультант кандидат технических наук

Лупачев Александр Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Куприянов Игорь Львович

кандидат технических наук Медведев Сергей Викторович

Оппонирующая организация: Институт технологии металлов ПАН

Республики Беларусь.

Защита состоится " А? " 2000г. В А^на заседании Совета п<

защите кандидатских диссертаций К 02.18.01 в Могилевског машиностроительном институте по адресу: 212005, Могилев, ул. Ленина, д.70.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Могилевского машиностроительного института.

Автореферат разослан "_"_2000г.

Ученый секретарь

Совета по защите кандидатских ^ /0

диссертаций К 02.18.01 / А/

"Члу^

кандидат технических наук /7 (Ал^ И.М. Кузменко

К7Я2. 536.015. Ч, 29,0 //

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Детали, периодически соприкасающиеся с горячим металлом, работают в сложных условиях термомеханического нагружения. Исследованию процессов накопления знакопеременных пластических деформаций, образованию трещин термической усталости и разгара, циклически нагреваемой поверхности, посвящены работы: Тылкина М.А., Павлюка С.К., Гох-фельда Д.А., Мэнсона С., Вельского Е.И., Витязя П.А., Фрумина И.М., Юзвенко Ю.А.. На основе детального изучения условий эксплуатации, разработаны высокостойкие наплавочные материалы и современные технологические наплавки.

Современные материалы, соответствующие условиям работы с нагретыми металлами, содержат дорогостоящие легирующие элементы, например вольфрам до 9%, в некоторых из них вольфрам заменяют молибденом - до 15%, а жаропрочные сплавы содержат дефицитный никель, некоторые из них - кобальт. Детали, восстановленные наплавкой такими материалами, имеют долговечность не ниже долговечности новых деталей или превосходят ее.

Необходимость экономии дорогостоящих наплавочных материалов вынудила поставить задачу по снижению их расхода, которая решается в данной работе. Работа, по минимизации объемов наплавленного метачла, велась по следующим направлениям: снижение макронеровностей и уменьшение-припусков при формировании поверхности из наплавленных ватпков, за счет разработки способов управления формированием ее геометрии; определение соответствия объемов наплавляемого металла эпюре износа; оптимизация толщины слоя; определение путей устранения набрызгивания при формировании широкослойной наплавки с учетом законов движения колеблющегося элеюрода

Повышение работоспособности и долговечности наплавленных деталей осуществляется за счет выбора химического состава наплавляемого металла, соответствующего по свойствам условиям эксплуатации, обеспечения длительной совместной работы системы «наплавленный металл - основной металл».

В основу работы положен структурно-параметрический синтез, предусматривающий использование математического моделирования процесса наплавки с применением критериев оптимизации и критериев оценки ресурсоемкое™ процессов дуговой наплавки.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в рамках Республиканской научно-технической программы "Сварка" (9719-1011//2.01 "Создать и освоить в металлообрабатывающих производствах новые материалы, ресурсосберегающие технологии и оборудование для получения высоконадежных сварных изделий и конструкций из сталей, пластмасс, композитов, цветных металлов и их сплавов"), по программе Министерства образования Республики Беларусь "Машиностроение" (ГБ 9618 "Управление формированием тонких слоев при наплавке и разработка процессов получения слоев переменного сечения"), "Металлургия"(ГБ 9714 "Регулирование процесса

распада аустенита в прокаливающихся сталях при наплавке колеблющимся электродом").

Цель и задачи исследований. Целью исследований является снижение расхода наплавочных материалов, электроэнергии и трудозатрат при упрочняющей и восстановительной наплавке деталей и оснастки для обработки горячего металла.

Задачи исследовании:

- выявление закономерностей формирования наплавленной поверхности из отдельных валиков, определение путей приближения наплавленной поверхности к номинальной, снижения ее шероховатости и минимизация объемов наплавленного металла;

- определение параметров закона перемещения электрода с учетом набрызгива-ния и тепловых условий формирования структуры наплавки;

- исследование процесса нагрева детали колеблющимся электродом и установление влияния параметров режимов широкослойной наплавки на процессы распада аустсшгга и свойства зоны термического влияния;

- установление кинетики накопления повреждений в нагретом слое и зоне соединения с основным металлом, определение состава материалов при упрочнении и восстановлении оснастки для обработки горячего металла;

- оптимизация технологии восстановления и упрочнения широкослойной наплавкой деталей и оснастки для обеспечения их технологической прочности на основе общего принципа ресурсосбережения.

Объект н предмет исследования. Объектом исследований является технологический процесс широкослойной наплавки рабочей части деталей, периодически соприкасающихся с нагретым металлом. Целью и задачами работы в качестве предмета исследования определена ресурсоемкость и долговечность оснастки для обработки горячего металла, преимущественно ножей для его резки.

Гипотеза. В основу работы положены предположения:

- методами аналитического исследования процесса формирования наплавляемой поверхности и приближения наплавленного металла к профилю износа можно снизить параметры шероховатости поверхности и достигнуть уменьшения массы наплавленного металла, электроэнергии и трудозатрат;

- среди современных жаропрочных материалов имеются такие, которые наиболее полно соответствуют условиям эксплуатации, чем используемые теплостойкие стали оснастки для обработки горячего металла, причем, в связи с высокой стоимостью этих материалов целесообразно использовать их в биметаллическом инструменте только в наиболее нагруженных местах с оптимальной толщиной слоя;

- за счет использования наплавки с поперечными перемещениями электрода, можно расширить область регулирования параметров превращения а—>у-»а и повысить технологическую прочность прокаливающихся и сильно прокаливающихся сталей в процессе наплавки.

Результаты математического моделирования и последующая экспериментальная проверка подтвердили правильность предположений и позволили уточнить теоретические положения о процессах формирования поверхности из отдельных валиков в соответствии с эгаорой износа или требований геометрии детали и повысить работоспособность наплавок в тяжелых условиях термомеханического нагружения.

Методология и методы проведения исследований. Общая методология работы основывалась на системном подходе к анализу процесса наплавки, структурно-параметрическом синтезе. Математическое моделирование процесса наплавки, определение критериев оптимизации ресурсоемкое™ процесса наплавки, установление теоретических закономерностей, построение математических, геометрических, алгоритмических моделей, выбор способа наплавки, материалов 11 режимов, исследование процесса на созданных моделях, обработка результатов исследования, оценка целесообразности и экономической эффективности использования способа наплавки и наплавочных материалов положены в основу структурно-параметрического синтеза.

При построении математических моделей формирования наплавленной поверхности и влияния температурных условий наплавки на образование структуры металла зоны термического влияния, определении условий эксплуатации инструмента использован современный математический аппарат (дифференциальное, интегральное исчисление, компьютерные методы исследования моделей). При проведении экспериментальных исследований использовались современные методы определения работоспособности материалов при повышенных температурах и исследования термоциклической долговечности биметаллических деталей (измерение горячей твердости, сопротивления термической усталости наплавленного металла и зоны соединения с основным металлом).

Научная новизна и значимость полученных результатов. Научная новизна работы заключается в выявлении ранее неизвестных закономерностей формирования геометрии наплавленной поверхности, образования структуры и свойств широкослойной наплавки, поведения разнородных соединений в условиях циклического термомеханического нагружения оснастки для обработки горячего металла и состоит в следующем:

- впервые, на основе разработанной модели формирования наплавленной поверхности, выявлены зависимости между геометрическими параметрами (шагом наплавки Н, высотой Ь, коэффициентом формы 4/, перекрытием Т) и параметрами ее шероховатости (средним шагом неровностей Бт, наибольшей глубиной профиля 112). Показано, что оптимальный шаг определяется по аналитической зависимости Н = 2асо$(р~ Т, при этом потери металла на посленапла-вочную обработку сокращаются на 10-30%;

- исследованием математической модели движения электрода при широкослойной наплавке по траектории, определяемой законом движения аналогового устройства управления, установлена взаимосвязь между геометрическими параметрами устройства управления и параметрами режима наплавки, влияние

скорости, траектории на возникновение набрызгивания металла, 01гределены граничные значения скорости и ускорения движения электрода до наступления набрызгивания;

-в исследовании модели температурного состояния наплавляемой детали определено влияние траектории, амплитуды и скорости поперечного перемещения электрода на температурное поле и характеристики процесса распада аустеии-та в основном металле. Показано, что мгновенная скорость охлаждения зависит от скорости движения источника и амплитуды перемещения источника, которые связаны между собой соотношением -- - 0,1 с'1, причем при < 0,1 с ' уменьшается скорость охлаждения и увеличивается время пребывания металла

при температуре выше заданной, а при — > 0.1 с'1 - происходит обратное;

А

- определены температурные условия эксплуатации наплавляемого инструмента, установлены темперагуры эксплуатации поверхности наплавляемого металла и зоны его соединения с основным и сформулированы условия работоспособности и долговечности: температура нагрева поверхности наплавки не должна превышать температуру потери горячей твердости до уровня 40% от твердости при 293 К, а заданная термоциклическая долговечность зоны соединения может быть достигнута выбором необходимой толщины наплавляемого слоя.

Практическая значимость полученных результатов.

Теоретические, подтвержденные экспериментами выводы и полученные аналитические зависимости существенно корректируют существующие взгляды на выбор основных параметров процесса восстановительной и упрочняющей наплавки и позволяют получить, за счет построения оптимального технологического процесса наплавки, экономию наплавочных материалов, электроэнергии, трудозатрат. Научные результаты доведены до практической реализации в алгоритмах оптимизации технологии наплавки. Разработанные технологические рекомендации по выбору состава и толщины наплавленного слоя с учетом тер-модеформациошшх циклов этого слоя и полученные аналитические зависимости по заданию траекторий, скоростей, токовых режимов, геометрических параметров наплавляемой поверхност внедрены на ОКБ "Импульс", заводе КЗТШ при программировании наплавочных роботов для сварки и наплавки плоских и цилиндрических поверхностей массивных деталей. При этом улучшилось формирование поверхности швов и наплавок, снизился расход на 1220% сварочных и наплавочных материалов за счет приближения площади наплавленного металла к проектным размерам. Рекомендации по расчетному выбору шага наплавки, внедренные на МПО "Химволокно", позволили снизить шероховатость поверхности с 1^=2200 мкм до 1^=500 мкм, уменьшить припуски на механическую обработку при восстановлении химического оборудования наплавкой. Разработан ресурсосберегающий технологический процесс наплавки, повышающий долговечность оснастки для обработки горячего металла. Разработана технологическая инструкция по сварке и наплавке тюкалимш-

щхся и сильно прокаливающихся сталей, которая передается заинтересоваи-ым предприятиям.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- новое решение проблемы снижения шероховатости наплавленного слоя, а основе впервые разработанной математической модели его формирования з отдельных валиков, определения путей приближения наплавленной поверх-ости к эпюре износа, установления снижения объемов наплавленного слоя еталла с оптимизационным шагом наплавки и параметрами ее режимов;

- результаты исследования математической модели и определение пара-етров закона перемещения электрода с учетом набрызгивания и тепловых ус-эвий формирования структуры наплавки;

- результаты исследований влияния параметров режимов широкослойной 1 плавки на процессы распада аустенита и свойства зоны термического влияния 1 основе разработанной математической модели распространения тепла при зплавке колеблющимся электродом и математической взаимосвязи между па-шефами, определяющими структуру в зоне термического влияния, траекто-тей, амплитудой, скоростью перемещения электрода и др. параметрами про-;сса;

- результаты исследования моделей расчета температурных условий экс-туатации массивных наплавленных деталей в периодическом контакте с теп-)Носителем, расчет температур на поверхности наплавки, на зоне соединения определение необходимой толщины наплавленного слоя из условия ограни-!ния знакопеременного упругопластического деформирования этой зоны;

- механизмы формировагаы состава, структуры и свойств наплавленного палла, накопления повреждений и разрушения при термомеханическом по-1еждении и пути повышения долговечности, применительно к инструменту ш резки горячего металла,

- алгоритмы построения технологического процесса наплавки деталей пе-юднчески соприкасающихся с горячим металлом.

Личный вклад соискателя. Соискателем лично разработаны основные шожения, приведенные в научной новизне и практической значимости полу-нных результатов, получены, обобщены и научно обоснованы эксперимен-льные данные. В совместных работах автор участвовал на всех этапах их вы-1лнения, в частности, по республиканской программе „Сварка", отраслевым юграммам „Металлургия" и „Машиностроение". Руководителю и консуль-нту принадлежит общая идея работы. Теоретические исследования проводи-сь автором самостоятельно, часть экспериментальных исследований совмест-- с инженерами НИСа. Автор являлся ответственным исполнителем госбюд-:тных и ЫИР, выполнешшх по объекту исследования.

Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации доклады-лись и обсуждались на международаом симпозиуме по трибофатике (Моск, 1996), на республиканской научно-технической конференции "Создание ре-рсосберегающих машин и технологий" (Могилев, 1996), на международной

научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии в сварочном производстве" (Могилев, 1998), на международной научно-технической конференции "Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин" (Новополоцк, 1999).

Опублнкованиость результатов. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 научных работах, в том числе: 1 статья в международном журнале "Автоматическая сварка"; 1 статьи в сборнике «Сварка»; 5 в материалах сборников международных конференций и симпозиумов; 2 в материалах сборников республиканских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Полный объем диссертации составляет 170. Она содержит 107 страницы основного текста, 33 рисунка, 125 библиографических ссылок, 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность рассматриваемых задач, представлена оценка состояния проблемы, показана ее значимость и пути решения.

В первой главе проведен анализ процесса разрушения поверхности деталей с малым износом и способов их восстановления наплавкой.

Показано, что в настоящее время актуальной является проблема восстановления и упрочнения деталей машин, а также инструмента и оснастки для обработки горячего металла на машиностроительных, металлургических и химических предприятиях республики. При этом для восстановления и упрочнения в больших объемах используется наплавка.

Из-за высокой стоимости энергетических ресурсов более перспективны методы управления структурой и свойствами ЗТВ за счет оптимизации энергетических параметров процесса широкослойной наплавки колеблющимся электродом.

В странах СНГ, дальнего зарубежья проводятся серьезные работы по улучшению свойств наплавленного металла, увеличению производительности наплавки, и в меньшей степени внимание уделяется уменьшению ресурсосмкс-сти за счет ограничения вводимой в деталь тепловой энергии, повышения точности, снижения припусков на последующую обработку, ресурсоемкости процесса наплавки восстанавливаемых деталей при перемещении электрода но траектории. В связи с этим необходимо разработать математические методы исследования процесса формирования геометрии наплавки, теоретические, а так же экспериментальные методы исследования процесса наплавки, включая поиск и измерение оптимальных режимов, изучение микро - и макроструктур. Необходима разработка и исследование математических моделей процесса нагрева деталей при широкослойной наплавке колеблющимся электродом и выявление закономерности формирования структуры и свойств ЗТВ после термического

воздействия наплавки, на основе принципа ресурсосбережения, вместо ранее разработанных подходов, основанных на повышении производительности и объема наплавленного металла. Для реализации нового подхода необходимо улучшить формирование структуры и свойств ЗТВ. Оптимизация термического воздействия на наплавляемую деталь с учетом кривых термокинетического распада аустенита материала детали, даст возможность отказаться от предварительного подогрева и последующей термической обработки, т.е. существенно снизить энергоемкость.

Прогресс в области увеличения долговечности деталей и инструмента для эбработки горячего металла связан, прежде всего, с разработкой материалов, :пособных выдерживать высокие температуры. Механические нагрузки и периодическое тепловое воздействие нагретого металла приводит к образованию а материале трещин разгара и изменешпо геометрических размеров и формы детали. Образование трещин разгара детально изучено, и определена основная роль малоцикловой термической усталости в этом процессе; определены основные закономерности необратимого формоизменения; изучено влияние среды и, 1 частности, окисления на процесс разрушения материала.

Анализ основных процессов, происходящих в поверхностных слоях деталей, контактирующих с нагретым металлом, свидетельствует о перспективности юздания и использования специальных слоистых материалов, поверхностный пой которых должен обладать высоким сопротивлением физико-химическому ¡заимодействию, термической усталости, абразивному износу и местным меха-шческим повреждениям.

Упрочнение с наращиванием слоя материала с требуемыми свойствами юлее эффективно, так как в качестве основного материала могут быть исполь-¡ованы обычные конструкционные материалы, а для наплавленных слоев - саше современные материалы с высокими служебными свойствами.

Большой практический интерес к проблеме повышения долговечности 1еталей и инструмента, контактирующих с горячим металлом, предполагает не-)бходимость выбора способа восстановительной наплавки, материалов, расчета ¡еобходимой толщины их слоев, автоматизированного проектирования гехно-югических процессов упрочнения деталей, нанесением защитных слоев и порытой наплавкой.

В связи с повышением внимания к проблемам снижения ресурсоемкое™ фоцессов восстановления деталей наплавкой, показана необходимость испояь-ования системного подхода с широким применением средств автоматизации (ля поиска оптимальных решений в выборе материалов, способов наплавки, ¡ежимов, соответствующих требуемой работоспособности и долговечности набавляемой поверхности, при минимизации материальных, энергетических, рудовых ресурсов.

По результатам литературного анализа сформулированы цели и задачи [сследований.

Во второй главе обоснован выбор материалов, оборудования и представлена методика проведения теоретических и экспериментальных исследований.

Показано, что в основу работы положен структурно-параметрический синтез, предусматривающий использование средств автоматизации для математического моделирования процесса наплавки с применением критериев оптимизации, таких как минимизация массы наплавляемого металла, расхода электроэнергии, трудовых затрат на посленаплавочную обработку и максимизации работоспособности, долговечности наплавленных деталей, инструмента. Определены критерии оценки ресурсоемкосги процессов дуговой наплавки (масса наплавляемого металла, энегрозатраты, временная производительность). Приведена методика их расчета.

В работе использовалась смесь Аг+3...5%02, а наплавки жаропрочных сплавов, содержащих А1 и Т1 - смесь Аг+5%Н2.

Приведены использованные в работе марки и химический состав наплавочной проволоки. При выборе наплавочных материалов исходили из того, что обычно применяемые для работы в условиях контакта с нагретым металлом высоколегированные стали мартенситного класса 30Х2В8Ф, 50ХНМ, сталь 45 и другие теряют прочностные свойства и твердость, при нагреве до 600-650°С. Поверхность ножей нагревается до более высоких температур. Кроме того, после наплавки упомянутых материалов перед механической обработкой требуется отжиг, а после механической обработки - сложная термическая обработка-закалка. Проведение этих операций требует наличия термическою оборудования и рабочих-термистов высокой квалификации. Отмечено, что сплав нихром ЭИ-437А (ХН77ТЮ) обладает аустенитной структурой с интермсталлидным упрочнением. Он отличается высокой жаропрочностью и жаростойкостью и по своим свойствам относится к лучшим современным жаропрочным материалам. Для наплавки было решено применить жаропрочные наплавочные материалы аустешшюго класса, соответствующие требованиям работы в контакте с горячим металлом и технологическим условиям участка изготовления ножей для резки горячего металла Белорусского металлургического завода. При этом режимы наплавки выбирались в зависимости от марки и диаметра проволоки и номера слоя.

Разработаны критерии работоспособности наплавленного металла в условиях работы инструмента для резки горячего металла, и показано, что для суждения работоспособности и долговечности наплавок необходимо и достаточно определить горячую твердость, сопротивление термической усталости наплавленного металла и термоциклическую долговечность зоны его соединения с основным металлом.

В третьей главе впервые поставлена и решена задача о снижении влияния технологической наследственности от наплавки, образующейся от отдельных наплавленных валиков, на показатели шероховатости поверхности. Основными параметрами наплавляемой поверхности являются: геометрические пара-

метры (толщина наплавки Л; шаг наплавки Н и перекрытие валиков Т, где

Н = 2асоз<р - Т; коэффициент формы валика у/ = —) и токовые параметры

(ток, напряжение, скорость движения горелки, амплитуда колебашш электрода). Построенная геометрическая и математическая модель формирования наплавленной поверхности (рис.1) позволяет получить основные математические формулы расчета:

(4а2 -1-2а-!г2)

- перекрытия Т= ц/ г~2-----„ г ;

У Ь ■ (4(7* - /г")

- шага наплавки Н = гасскр - 7;

-площади удаляемой поверхности Л', (потери металла при обработке)

, , ^ /-Г 2а-1-Г

Л = ^" -('- а)\2а-1 -г -а' агат---) 4---• - (2а - Л ■ В;

2 а 2

- параметров шероховатости наплавленной поверхности: наибольшую высоту

„ 2 к-Ь-И

профиля сРеД11ИИ шагнеровностей = 2а-со&р-Т.

о

I ' 2 1

Рис.1 Геометрическая модель формирования наплавленной поверхности металла а) формирование валиковой структуры; б) геометрическая интерпретация математической модели формирования валиковой структуры.

Исследованием математической модели установлено влияние геометрических характеристик валика на основные параметры шероховатости и установлены следующие закономерности ее формирования. Первый валик ложится на поверхность с нулевым углом поворота, при наложении второго валика первый перекрывается, поэтому ось второго валика поворачивается на угол <рх, третий и последующие валики поворачиваются на углы <рг -г ры . Угол поворота стремит-

ся к постоянному максимальному значению <р - агсап—. Номер валика, при котором достигается установившийся рельеф макроиеровности наплавленного слоя, зависит от его формы. При малом коэффициенте формы (у <0,4 ) стабилизация наступает на 3...5 валике, а при коэффициенте формы, большем предыдущего, на 6, 7 и т.д. валиках. Установлена зависимость толщины наплавленного слоя /г от выпуклости Ь в виде к < 1,54, позволяющей получать наплавленный слой за один проход, если И > 1,5Ь, то для получения заданной толщины А необходима многослойная наплавка. На основе разработанной математической модели процесса формирования поверхности определены условия минимизации потерь металла на обработку поверхности и установлены зависимости между необходимой толщиной наплавленного слоя, геометрическим размером валика и величиной перекрытия валиков.

Приведенные в литературе сведения о том, что шаг перекрытия Т должен составлять 1/3 ширины валика являются приближенными, не учитывающими влияние перекрытия Т на высоту наплавки И и вызывает перерасход дорогостоящего наплавленного металла. Оптимальный шаг наплавки определяется зависимостью II = 2а• соъ(р - Т. При расчетном шаге наплавки масса наплавленного металла снижается на 10...30% по сравнению с наплавленной согласно существующим рекомендациям.

Соотношения геометрических характеристик валика а, Ь и параметров режимов наплавки, полученные вследствие экспериментов, представлены в таблице 1. Зависимости площади удаляемой поверхности, коэффициента формы валика и перекрытая при наплавке представлены на рис.2.

Таблица 1

Параметры режимов, геометрические характеристики валика наллавлешюго слоя при электродуговой наплавке проволокой 01,2 мм в защитной среде

Аг + СО,, Лг + 02

Геометрические характеристики валика и нашшвлешюго слоя Параметры режимов наплавки

Ширина ¿(2 , мм. Выпуклость ё ,мм. К-т формы V Толщина наплавки Ьг , ММ Перекрытие Т* , ММ Удаляемая поверхность »9 мм. Примечание при Ток I, А Напряженке & ,В

АЛ 1.5 0 32 2 3 0 86 1.52 Ь>1.5Ь 110 22

5 5 1.7 031 2 3 0.91 2.34 Ь>1.5Ь 120 24

5.6 1.8 0.33 2 3 0.76 2.84 Ь>1.5Ь 130 25

5.7 2 0 35 2 3 0.62 3.39 Ь=1.5Ь 140 25

5 8 2 1 0.37 2 3 0.51 0.94 3.93 1.75 Ь<1 5Ь 160 32

5.9 2.6 0 44 2 3 0.12 0.2 6 63 3 44 Ь<1.5Ь 180 32

Рис.2 Зависимость площади удаляемой поверхности Б и перекрытия Т.

Впервые полученные математические зависимости позволяют определить параметры формирования наплавленной поверхности (у/,7\Н), установить взаимосвязь с площадью удаляемой поверхности Я при механической обработке, разработать алгоритм ическую модель исследования процесса формирования наплавленной поверхности.

На рис.3 представлена взаимосвязь геометрических параметров наплавляемой поверхности у/, Ь и параметров шероховатости Я,,5т.

5 О 4.6 4.2 3.8 3.4 3.0

Р. г

1 О

0 9

С 8

0 7

О 6

I) 5

*

у

г

V

/

ь 2 .7 5 г .з 5 2.8 2 8 5 2.9 2.9 5

2« 5 .5 4.7 5 6 5 .7 5.8 5.9

Т 0-91 0 8 6 0.76 0.62 0 5 1 0 1 2

Б т 3.8 5 3 .2 1 4 .0 8 4.3 1 4 5 1 4.9"

5 - 2(7 С О $ <р — Т

- 30'

1.1 1.3 т

И г 0.5 5 0.5 2 0.64 0 8 2 0.8 5 1 .2 7

V 0 .3 1 0 3 2 0.3 3 0 3 5 0.37 0 4 4

Ь 1 .7 1 .5 1 .8 2 2.1 2 6

Ь 2.7 5 2.35 2.8 г 8 5 2.9 г 95

2 кЬ - И Кг = -у—---

он ff.il О.ЗУ <?.*/

Рис.3 Взаимосвязь геометрических параметров наплавляемой поверхности и параметров шероховатости: а) средний шаг неровностей Бш и перекрытие Т; б) высота профиля Яг и коэффициент формы валика <//.

0 3 0 5

0.7 0.9

О 1

к" 1 .1 5

Установлены пути приближения наплавляемой поверхности к номинальной поверхности в зависимости от эпюры профиля износа: изменение скорости перемещения электрода относительно наплавляемой поверхности; изменение траектории перемещения электрода относительно поверхности детали и изменение геометрических параметров наплавляемой поверхности.

При выполнении неравенства А > 1,56 необходима многослойной наплавка, количество слоев наплавки определяется по формуле п = . Предельной

1,5 ь

величиной компенсации износа при однослойной наплавке, является выполнение соотношения к < 1,56 и у = к {у- глубина износа). В зависимости от ширины наплавляемого слоя выбирается амплитуда колебаний горелки, частота колебаний, причем такие, чтобы не было образования общей ванны. При наплавке с использованием поперечных колебаний горелки глубина проплавления основного металла снижается до 0,2 - 0,4 мм, а доля участия основного металла до 5 -7%.

Полученные аналитические зависимости, позволяют оценить формы и размеры одиночного валика при изменении параметров режима дуговой наплавки. Предложенные подходы позволяют минимизировать массу наплавленного металла и выработать направления совершенствования наплавочного оборудования, в частности, устройств для колебательного перемещения электрода.

В четвертой главе приведена, разработанная впервые, математическая модель движения электрода по заданной траектории (рис.4), определяющая границы наступления набрызгивания металла, вызванное изменением скорости движения электрода.

,____________падения капли; б) траектория дви-

жения электрода.

При разработке модели учитывалось влияние на каплю сил тяжести, поверхностного^ натяжения капли, равнодействующей электроди-намичесюгх сил, инерции. Скорость движения электрода связана с траекторией перемещения и соответственно с профилем кулачка, поэтому анализ траекторий и скоростей пе-Рис.4 Геометрическая модель про- рсмещепия электрода позволяет по-цесса набрызгивания: а) модель па- ЛУЧИТЬ математические зависимости, дения капли, где Ь. - допустимая необходимые при проектировании траектория падения капли, Ь - тра- механизмов движения доя напла-екгория набрызгивания, Ь- высота вочных устройств.

Разработанная математическая модель процесса набрызгивания металла при наплавке колеблющимся электродом определяет граничные значения скорости и ускорения движения электрода до наступления набрызгивания, опреде-

ляемые

ния: I =

конкретным

а

т а *

1-

СОБ

а

законом

гн]

движения аналогового устройства управле-(для косинусоидального закона).

Полученные математические зависимости могут быть использованы при рограммировании наплавочных роботов, что позволит также минимизировать асход наплавляемого металла, электроэнергии и трудозатрат и корректировать ежимы наплавки для получения поверхности требуемого качества.

Разработанная математическая модель нагрева детали точечным источником, перемещающимся по заданной траектории, позволила исследовав влияния энергетических условий наплавки на структуру и свойства наплавляемого металла и зону соединения. В основу построения математической модели нагрева детали положена классическая модель формирования температурных полей при движении источника по прямолинейной траектории. Геометрическая интерпретация математической модели нагрева приведена на рис.5 ь

Г- -н

1

1 *

|

I

|

I

Я •А(х.у.г)

К(Х,У,2)

а)

Рис.5 Геометрическая модель нагрева детали при перемещении источника: а) по прямолинейной траектории (классическая модель); б) по траектории в форме дуги.

Впервые получена следующая аналитическая зависимость, учитывающая перемещение источника по дугообразной траектории:

Р. +(2Х+уг)У[

А Т =

гц

-аг

0)

ср(4лаУ2 { /3

Выражение (1) явилось основой для анализа влияния амплитуды и скорости перемещения источника по заданной траектории на температуру в зоне формирования наплавленного слоя. В это выражение входят все параметры режима наплавки: ток, напряжение, скорость перемещения электрода, амплитуда колебаний, радиус поперечного перемещения электрода, шаг перемещения. Результаты исследований представлены на рис.6, которые позволяют определить параметры и режимы наплавки, а также выработать технологические принципы формирования восстановительной и упрочняющей наплавленной поверхности. Анализируя полученные зависимости, установили, что мгновенная скорость ох-

лаждения № охл зависит от амплитуды и скорости перемещения точечног источника. При этом скорость и амплитуда движения источника связаны соо"

ношением -j=o,l. Если < 0,1, то значения U'uxl возрастают, а время пребь вания i уменьшается, а при — > ОД происходит обратное.

Рис.6 Тепловые условия структурообразования наплавленной поверхности: а) распределение температур по оси х при перемещении источника по дуге; б) распределение температур при сложении п траекторий.

Анализируя влияние параметров режима наплавки на время пребывания металла при температурах роста зерна, установлено, что при эффективной тепловой мощности источника тепла до 4500 Вт, при любых остальных параметрах режима, время пребывания металла при температурах роста не превышает 5с. Это существенно меньше критического времени роста зерна даже для чувствительных к перегреву хромистых и марганцевых сталей.

В разрабатываемой технологии наплавки, как будет показано далее, мощность дуги ограничена до 5000-6000 Вт. При больших значениях мощности (6-9 Квт) время роста зерна увеличивается до 7-10с, что вполне допустимо для сталей, умеренно чувствительных к росту зерна. И только при мощности дуги более 10 Квт возникает опасность существенного роста зерна и соответствующего определяющего воздействия на свойства и механическую прочность зоны термического влияния.

Данные расчетов использованы для составлештя таблицы 1. Трудности в обеспечении требуемых свойств ЗТВ и предотвращение холодных трещин возрастают с ростом прокаливаемости сталей. При восстановлении изношенных ножей из сильно прокаливающихся сталей они преодолеваются использованием технологии, изложенной в настоящем исследовании. При изготовлении новых ножей с использованием наплавки желательно в качестве исходного металла выбирать стали с лучшей свариваемостью, например теплостойкие стали 15ХМ, 20ХМФ, а в качестве их заменителей выбрать сталь 20Х, сталь 45.

Таблица 1

Характеристики поведения металла при наплавке

Показатель Марки стали \Ук50ма\ \Vic50mm Р\упри[Н]=\> Ри при [Н]=8 НСЭ шах нее пип

Р3~13,9 Р3=6,75 Р3=13,9 Р3=6,75 ¡\VMilX Р'Д-мт Рлгых Р\\\Ш1

ВСтЗКП 14 59,4 44,97 190,7

ВСг5СП 3.09 1.3,09 40,41 44,65

Ст 10 23,98 101,69 142,8 605,8

Ст. 20К 8,48 35,97 35 0 152,8

Ст. 09Г2 2,9 12,34 5,67 24,05 0,307 0,277 0,407 0,377 1,954 2,26

Ст. 10ХСНД 1,07 4,55 6,35 26,91 0,ЗЛЗ 0,293 0/163 0,393 4,62 6,4

Ст. 20Х 1,6 6,9 9,1 38,65 0,632 0,302 0,732 0,403 7,48 7,53

Ст. 20ХГСА 0.416 1,765 1,88 7,97 0,463 0,358 0,563 0,458 5,28 4,728

Ст. 0,105 0,444 1,495 6,342 0,6398 0,495 0,7398 0,595 9,739 11,52

30ХН2МФА

Ст 15ХМ 0,07 0,31 3,37 14,3 1,008 0,268 1,108 0,368 4,214 3,6575

Ст 9ХС 0,04 0,168 0,223 0,946 1,217 1,066 1,317 1,166 61.28 46,23

Ст.Х12 0,001 0,0043 0,007 0,03 11,898 11,11

Ст 4X2 НМФ 0,01 0,044 6,3 6,65

Ст. 75ХМ 0,06 0,25 17,36 23,2

Ст. 12X13 0,013 0,053 1,0083 0,84483 1,1083 0,9483 0,85 0,58

Критические скорости для сильно прокаливающихся сталей оказываются меньше расчетных, независимо от других параметров режима (амплитуды колебаний, скорости перемещения дуга, тока и напряжения), поэтому наплавленные ножи эксплуатируются с мартенситной прослойкой, которая отпускается в начальный период эксплуатации.

Технологическая прочность в процессе охлаждения определялась по параметру трещинообразования с учетом того, что при НС5>4 вероятно образование трещин. В этом случае необходимо выбрать другой наплавочный материал,

либо применить специальные технологические приемы, либо решить, донуст ма ли эксплуатация наплавляемой детали с трещинами. Это, вполне, допустим если наплавляемый металл работает в условиях абразивного износа, наприме при обработке грунтов, разработке полезных ископаемых. Результаты исслед! ваний технологической прочности приведены в таблице 2.

Таблица

Общая характеристика поведения сталей при наплавке

Группа сталей Марки сталей Характеристики лроюливаемости Общая характеристика поведения при наплавке Технологические меры по улучшению свариваемости

Нелрокали- вающиеся стали Ст?, Сталь 10.20.20К 10ХСНД. 20ХСНД <1,5 <117 В ЗТВ нет мартенсита при лмбьге условиях наплавки Не трсбустся подогрев при наплавке

Слабо прокаливающиеся стали 20Х. 45. 35, Ст5 1,5-5 117-35 Возможно образование мартенсита при малом тепловлоасении Необходим подогрев для сталей с \укр<201/с

Прокаливающиеся стали ЗОХГСА, ЗОХШМФА 15ХМ, 20ХМФ, 20Х, ЗОХ 5-50 35-3,5 Только ограниченная часть сталей может наплавляться без специальных технологически х мер Эффект дает подогрев

Сильно прокаливающиеся стали ЗОХШМФА, 9ХС, ЗХ2В8Ф, 4Х5МФС, 75ХМ, 40Х <50 >3,5 Даже при подогреве возможно образование мартенсита и трещин Необходима специальная технология наплавки

Для повышения технологической прочности в разрабатываемой нам! технологии наплавки предусмотрено изменение состава наплавки по сравненик с основным металлом, применение специальных технологических приемов.

В главе пятой представлены исследования и разработка технологии наплавки на изношенную рабочую поверхность инструмента (ножей) для резки горячего металла, приведен, на основе анализа условий эксплуатации, выбор состава нагшавляемого металла.

Анализ причин выхода из строя ножей для резки горячего металла показал, что основным фактором износа являются трещины термотеской усталости. Локализация температуры на малых участках режущей кромки приводит к резкому снижению механических характеристик, к быстрому, а иногда катастрофическому износу в виде смятия кромки или откола ее части.

Примененный комплекс методик исследования работоспособности наплавок и наплавленных соединений, статистический анализ позволил получить достоверные сведения, необходимые для выбора состава наплавленного металла.

На рис.7 показана диаграмма стойкости наплавленного металла против термической усталости, построешш по значениям нижней границы доверительного

интервала для математического ожидания а, при доверительной вероятности ^ 95%:

° 400

¿¿1

г4^ 235 206 „„

о го Ч го п Н иг ж> гт—1. * о о — ИГ-

Марка электродов

Рис.7 Диаграмма сопротивления наплавок термической усталости

Максимальную стойкость против термической усталости показал сплав ЭИ-437А, что связано с его высокой жаростойкостью и жаропрочностью, которая достигается за счет образования в металле шва интерметаллидов типа

Составы, наплавленные проволоками ЭП-88 и ЭП-532, обладают стойкостью, несколько уступающую стойкости стали ЭИ-437А, однако наплавка ЭП-88 более стабильна по своим свойствам, разброс значений между отдельными результатами испытаний небольшой.

Для решения вопроса по выбору наплавленного металла по показателю «жаропрочность» измерялась горячая твердость металла наплавки, которая является интегральной характеристикой уровня механических свойств при высоких температурах. Результаты измерений, представленные на рис.8 показывают, что во всем диапазоне температур наибольшей твердостью обладает наплавка, выполненная проволоками ЭИ-437А (ХН77ТЮ) и ЭИ-367 (Х15Н65М15). Горячая твердость ЭИ-437А и ЭИ-367 близка к значениям горячей твердости инструментальных сталей. Следует учесть, что инструментальные стали приобретают максимальную твердость после сложной термической обработки, кроме того наплавки, выполненные ЭИ-437А и ЭИ-367, достаточно хорошо обрабатываются режущим инструментом при комнатной температуре.

21

520

0

е 6100

гШ-у

хи

Выявлены два пути воздействия на структуру зоны термического влияния. Первый путь состоит в изменении состава и структуры ЗТВ за счет диффузионных процессов но границе раздела «твердый металл -жидкий металл», а второй путь состоит в ограничении термодинамической активности углерода.

Мар&а электродов

Рис.9 Диаграмма горячей твердости

наплавленного металлаТисп.= 750°С

Установлено, что технология наплавки может строиться по двум направлениям: наплавка колеблющимся электродом материалами ферритного, перлитного, мартенситного класса и др. классов (кроме аустешгаюго) при выполнении условия с предварительным, сопутствующим или комбинированным по-

догревом детали для наплавки; без выполнения условия ш<\лгр при обеспечении служебных характеристик мартенситной прослойки за счет малой (0,1-0,4мм) ее толщины, а высокое сопротивление образованию холодных трещин достигается использованием аустенитных наплавочных проволок.

В основу проектирования технологического процесса наплавки положены следующие принципы:

- ограничение термического воздействия на материал ножа за счет использования при наплавке низкой (минимально допустимой) погонной энергии и получения соответственно минимальной ширины участков закаленного и разупроч-ненного металла в зоне термического влияния, обеспечения этим работоспособности наплавляемой поверхности;

- использование сложнолегированной (марганцем, вольфрамом и молибденом) аустенитной хромоникелевой сварочной проволоки с целью обеспечения требуемого уровня эксплутационных характеристик металла наплавляемой поверхности (сопротивляемости термической усталости, образованию горячих и холодных трещин);

- использование защитной среды с контролируемым окислительным потенциалом с целью связывания водорода в нерастворимые в металле сварного шва соединения и повышение таким образом сопротивляемости металла наплавляемой поверхности образованию холодных трещин;

- использование защитной смеси с добавками кислорода с целью повышения стабильности горения дуги и снижения величины критического тока, особенно на минимально допустимых режимах наплавки.

Изложенные принципы реализованы в разработанной технологии наплавки плавящимся электродом в газовой смеси аргона с 5% кислорода тонкой (диаметром до 1,2 мм) аустенитной проволокой. Разработанная технология обладает высокой производительностью, обеспечивает возможность заварки ло-

[льных дефектов, широкослойной наплавки колеблющимся электродом по ввитым поверхностям. Технология отличается высокой маневренностью и юбством использования. Экономический эффект от использования разрабо-[нной технологии возникает за счет продления срока службы восстановленных ¡талей и составляет 0,5 - 0,6 от их начальной стоимости (при однократном ре-энте). Расходы на восстановление наплавкой невелики, состоят, в основном, ! расходов на заработную плату, производственную энергию, сварочные мате-1алы и амортизацию оборудования

Заключение

1 Впервые поставлена и решена задача о снижении влияния технологиче->й наследственности от дуговой наплавки проволочным электродом, обра-эщейся от наложения отдельных валиков, на шероховатость наплавляемой зерхности. Построена геометрическая модель формирования поверхности и 1дены математические зависимости между геометрическими параметрами ше-

т, 2 к Ъ-И

соватости и параметрами режимов наплавки: Кг--^-- = 2а-сск<р~ Т.

¡работаны алгоритмы для минимизации шероховатости и снижения потерь галла при посленаплавочной обработке поверхности. [1].

2 Установлено, что ранее используемая рекомендация о том, что шаг пе-фытия Т должен составлять 1/3 ширины валика является приближенной, не ¡тывающей влияние перекрытия Т на высоту наплавки И и вызывающей пе-эасход дорогостоящего наплавленного металла. Оптимальный шаг наплавки ределяется выражением Н = 2а-соъср-Т, при котором потери наплавленного галла снижаются на 10...30%, по сравнению с наплавленным по сухцествую-1М рекомендациям, а шероховатость поверхности изменяется в соответствии с лученными аналитическими зависимостями.^,2,4].

3 Исследование математической модели движения электрода при широ-зелойной наплавке по траектории, определяемой законом движения аналого-эго устройства управления, установлена взаимосвязь между геометрическими араметрами устройства управления и параметрами режима наплавки. Опре-елено влияние скорости, траектории, амплитуды на возникновагае набрызги-

г2 ¡г\

ания металла, определяемое выражением L - j 1 - cos

Q

которое ог-

аничивает значения скорости и ускорения движения электрода до наступления абрызгивания. Анализом траекторий и скоростей перемещения электрода поучены математические зависимости необходимые при проектировании меха-измов движения для наплавочных устройств. [9,5].

4 Разработанная математическая модель температурного состояния дета-и при широкослойной наплавке определяет влияние траектории, амплитуды и корости поперечного перемещения электрода на температурное поле и харак-еристики процесса распада аустенита в основном металле и показывает, что

мгновенная скорость охлаждения зависит от амплитуды и скорости перемещения источника. Скорость и амплитуда перемещения электрода связаны между

V . V

сооои граничным соотношением — = 0,1 с, причем при — < 0,1 с уменьшается

А А

скорость охлаждения и увеличивается время пребывания металла при температуре выше заданной, а при > 0,1 с'1 - происходит обратное. Исследованием

А

модели установлено, что для обеспечения приемлемых скоростей охлаждения 6...60 1/с, характерных для теплостойких инструментальных сталей (30Х2В8Ф, 40Х5МФС) при наплавках на малых токах (до 200А) амплитуда колебаний должна составлять 12...30мм, скорость перемещения электрода 0.28...3.0 см/с.[3].

5 На основе анализа условий эксплуатации оснастки для обработки горячего металла (ножей), решения тепловой задачи установлено, что из-за локализации знакопеременных температурных пластических деформаций у линии сплавления основного и наплавленного металла с разными термоупругими свойствами, возможно отслоение наплавленного металла. Для предотвращения отслоения необходимо легировать основной металл карбидообразующими элементами, подавляющими миграцию углерода и рост диффузионных прослоек, и ограничить максимальные температуры в зоне сплавления (Т=953'К и ниже). Показано, что во всем диапазоне температур наибольшей твердостью обладает наплавка, выполненная проволоками ЭИ-437 (ХН77ТЮ) и ЭИ-367 (Х15Н65М15), горячая твердость которых близка к горячей твердости инструментальных сталей.[7,8].

6 Разработан технологический процесс широкослойной наплавки тонкой (диаметром до 1,2 мм) аустенитнои проволокой на теплостойкие инструментальные стали, без подогрева и последующего охлаждения, в среде Аг+4...5%02, при регулировании термического цикла ЗТВ параметрами режимов наплавки по разработанным алгоритмам построения оптимального технологического процесса наплавки на основе общего принципа ресурсосбережения. Экономическая эффективность от использования разработанной технологии возникает за счет продления срока службы восстановленных деталей и составляет 0,5-0,6 от их начальной стоимости (при однократном ремонте), экономии наплавочных материалов на 10-30%, электроэнергии на 30%.[1,6].

Список опубликованных трудов по теме диссертации

Цыкунова Т.В., JI vi гачен А.Г. Оптимизация массы наплавленного металла и объемов обработки при восстановлении деталей // Автоматическая сварка. Институт электросварки им. К.О. Патона HAH Украины.-1998.-№9.-С. 42-44. Цыкунова Т.В. Минимизация массы восстановительных наплавленных слоев с профилем, соожетствующим износу /7 Ресурсосберегающие технологии в сварочном производстве: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф., Могилев,14-15 мая 1998 / ММИ.-Могилев,1998.-С.47.

Цыкунова Т.В. Тепловые условия формирования наплавленной поверхности массивной детали // Ресурсосберегающие технологии в сварочном производстве: Тез. докл. международ, кауч.-техн. конф., Могилев,14-15 мая 1998 / ММИ.-Могилев, 1998.-С.48.

Цыкунова Т.В., Павлюк С.К. Обеспечение точности геометрической формы наплавленного слоя при упрочнении и восстановлении деталей машин и технологической оснастки // Создание ресурсосберегающих машин и технологий: Тез. докл. республ. научн.-тсхн. конф. / ММИ,- Могилев, 1996.-С. 71. i Цыкунова Т.В., Борисепко JI.A. Устройство для перемещения электрода при наплавке тонких слоев //' Создание ресурсосберегающих машин и технологий: Тез. докл. респ. науч-техн. конфер. 24-25 октября 1996,/ ММИ.-Могилев, 1996.-С.130.

I Лупачев А.Г., Цыкунова Т.В. Разработка технологии восстановлыгая и упрочнения ножей /У Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин: Материалы междун. науч.-техн. конф. / Полоцкий Гос. Университет -Новополоцк,1999.-С. ' Павток С.К., Кузменко И.М., Цыкунова Т.В. Работоспособность и долговечность наплавленных жаропрочных материалов при неизотермическом нагру-жении // II Международный симпозиум по трибофатпке: тез. докладов 15-17 октября 1996 Москва/НПО ТРИБОФАТИКА.-Москва, 1996.-С.60. ä Павлюк С.К., Кузменко И.М., Лупачев А.Г. Износ и разрушение газотермических покрытий при высоких температурах // II Международный симпозиум по трибофатпке: тез. докладов 15-17 октября 1996 Москва /НПО 'ГРИБОФАТИКА.-Москва, 1996.-С.60. ) Цыкупова 'Г.В., Комар В.Л. Выбор закона движения электрода // Сборник Сварка /-Минск, 1999.-С. II5.

Рэзюмэ

Цыкунова Таццяна Васильеуна «Матэматычнае, тэхналапчнае 1 алгарьпъпчнае забеспячэнне праектавання пра цэсау умацоуваючай ¡аднауленчай наплаута дэталяу 1 аснастта для апрацоуш га

рачага маталу»

Ключавыя словы: электрадугавая наплаука, наплаулены слой, ваганне эле! трода, рэжымы, эпюра зносу, умацаванпс, аднауление, рэсурсаемштсць, кры тэрьп, мадэ/п, аптымвацня, параметры.

Аб'ект даследываиня: тзхналапчны працэс шыракаслойнай наплаута рабоча; часты дэталяу, ягая перыядычна судакранаюцца з нагрэтым металам. Мэта работы: знЬкэнне расходу наплавачных матэрыялау, электраэнергп 1 пра цаемкасць пры умацоуваючай I аднауленчай наплауцы дэталяу 1' аснастта дл: апрацоута гарацага металу.

У дадзенай працы прадстаулены матэматычныя мадэл!, аптымизуючыз метала 1 энергаукладанш, звязваючыя у адзшую сктэму геаметрычныя пара метры, хМчны састау наплауляемай паверхш 1 яе працаздольнасцъ у цяжи> умовах дэфармавання гарачага металу.

Упершышо пастаулена 1 вырашана задача аб зшжэнш уплыву тэхнала-пчнай спадчыннасщ ад накладання асобных валшау пры дутавой наплауцы драцяным электродам, на шурпатасць наплауляемай паверхш. Даследаваннем распрацаванай матэматычнай мaдeлi фарлправання наплауленай паверхш выявлены невядомыя раней заканамернасщ атрымання шыракаслойнай наплаута з папярочны\п выганням1 электрода, адлюстраваныя у аналпгьгчных залежнасцях ¡алгарытмах ашымгзацьа рэжымау наплауи, мцтнзацьп шурнатаеш i страт металу пры паслянаплавачнай апрацоута.

Матэматычная мадэль руху электрода 1 тэмпературнага стану наплауляемай дэташ устанаулшае уплыу параметрау рэжымау шыракаслойнай наплаута на мсжы наступления напырскання металу, на працэс распаду аустэшту у асно-уным мет&че 1 уласгувасш зоны тэрм1чнага уплыву. Вызначаны тэмпературчы рэжым эксплуатацьп нажоу, што дазваляе абаснаваць шэраг метадычных 1 тэх-налапчных параметрау, выбраць састау наплауляемага металу. Паказана, што ва уам дыяпазоне тэмператур найбольшай цвердасцю валодае наплаука, выка-наная дротам Э1-437А (ХН77ТЮ) 1 Э1-367 (Х15Н65М15), гарачая цвердасць якога бл!зка да гарачай цвердасщ ¡нструментальных сталей. Установлена, што пры выкарыстанш шыракаслойнай наплаута у асяродда Аг +4...5%С>21 рэгуля-ванш тэрм1чнага цыклу ЗТУ параметрам! рэжымау наплаута, магчыма наплаука жаратрывалага хромашкелевага сплаву на цепластойтая шструментальныя стал1 без падагрэву. Тэарэтычныя, пацверджаныя экспериментам! вывады 1 ана-лпычныя замежнасщ рэшпзаваны у аптымальным тэхналапчным працэсе наплаута, дазваляючым эканомщь наплавачлыя матэрыялы на 10-30%, электра-энергш на 30%, прадоужыць тэрмш службы адноуленых дэталяу у 5-6 разоу.

Вышта работы носяць ушверсальны характар 1 могуць быць выкараста!ш на рамонтных, машьшабудаушчых 1 металурпчных прадпрыемствах.

РЕЗЮМЕ

Цыкунова Татьяна Васильевна Математическое, технологическое и алгоритмическое обеспечение проектиро-зания процессов упрочняющей и восстановительной наплавки деталей и оснастки для обработки горячего металла" ючевые слова: электродуговая наплавка, наплавленный слой, колебания элек-зда, режимы, эпюра износа, упрочнение, восстановление, ресурсоемкость, итерии, модели, оптимизация, параметры.

'ъект исследования: технологический процесс широкослойной наплавки ра-чен части деталей, периодически соприкасающихся с нагретым металлом, ■ль работы: снижение расхода наплавочных материалов, электроэнергии и /дозатрат при упрочняющей и восстановительной наплавке деталей и оснаст-для обработки горячего металла.

В данной работе представлены математические модели, оптимизирую-1е металле и эперговложения, связывающие в единую систему геометрические раметры, химический состав наплавляемой поверхности и ее работоспособен в тяжелых условиях деформирования горячего металла.

Впервые поставлена и решена задача о снижении влияния тсхнологиче-эй наследственности, от наложения отдельных валиков при дуговой наплавке оволочным электродом, на шероховатость наплавляемой поверхности. Иссле-ванием разработашюй математической модели формирования наплавленной верхности выявлены неизвестные ранее закономерности получения широко-ойной наплавки с поперечными колебаниями электрода, отраженные в атонических зависимостях и алгоритмах оптимизации режимов наплавки, миними-дии шероховатости и потерь металла при посленаплавочной обработке. Мате-тическая модель движения электрода и температурного состояния наплавляе-1Й детали устанавливает влияние параметров режимов широкослойной наплав-на границы настушгения набрызгивания металла, на процесс распада аустспи-в основном металле л свойства зоны термического влияния. Определен тем-ратурный режим эксплуатащш ножей, который позволяет обосновать ряд ме-дических и технологических параметров, выбрать состав наплавляемого метла. Показано, что во всем диапазоне температур наибольшей твердостью обдает наплавка, выполненная проволоками ЭИ-437А (ХН77ТЮ) и ЭИ-367 '15Н65М15), горячая твердость которых близка к горячей твердости инстру-етальных сталей. Установлено, что при использовании широкослойной на-авки в среде Аг+4...5% О2 и регулировании термического цикла ЗТВ парамет-ми режимов наплавки возможна наплавка жаропрочного хромоникелевого лава на теплостойкие инструментальные стали без подогрева. Теоретические, дтвержденные экспериментами выводы и аналитические зависимости реали-ваны в оптимальном технологическом процессе наплавки, который экономит ллавочные материалы на 10-30%, электроэнергию на 30%, увеличивает срок ужбы восстановленных деталей в 5-6 раз. Результаты работы носят универ-льный характер и могут быть использованы на ремонтных, машиностроитель-IX и металлургических заводах.

Abstract

Tsikunova Tatyana Vasilyevna

«Mathematical, technological and algorithmic models for designing hard facing and-build-up processes of parts and eguipment for hot-metal treatment»

Key words: electric arc surfacing, overlaid layer electrode oscillations, regimes, wear epure, surfacing build-up, resource intensive, criteria, models, optimization, parameters.

Subject of research: technological process of a wide-layer surfacing of a working part member periodically contacting with heated metal.

Aim of the paper: decrease in the consumption of overlaying materials, electric energy and labour costs in surfacing and build-up of parts and equipment for hot-metal treatment.

The paper contains mathematical models which enable to optimize metal and enerj consumption, to unite geometrical parameters, a chemical composition of an overla surface and its workability under hard condition of hot-metal deformation into a si gle system. The problem of lowering the technological inharity influence because overlaying. Separate bears in arc surfacing by a wire electrode on die overlaid surfa< roughness was put forward for the first time and solved. The study of the develope mathematical modei for forming overlaid surface has revealed regularities of recer ing a wide-layer surfacing, unknown before with transverse electrode oscillation which has been reflected in analytical dependances and optimization algorithms ( sulfating regimes, decrease in roughness and metal loss during the treatment after tl surfacing. The mathematical model of the electrode movement and the temperatui regime of overlaid part shows the influence of wide-layer surfacing regime paramt ters on the outset of metal spray, on the austemte break—down process in the bas metal and heat-affected area properties. The temperature condition for knives opera tion has been set up, which enable to substantiate the number of methodical an technological parameters, to choose the composition of an overlaid metal. It has bee: shown that in the whole temperature range the surfacing done by 31-1-43' (AXH77T10) and approach wires tool steels. It has been shown that when a vvuL layer surfacing is used in Ar+4 ... 5% Ch medium and the temperature cycle 3TB i, controlled by the parameters of surfacing regimes, the overlay of hot resistan clirome-nickel alloy onto heat stable tool steel is possible without preheat. The theoretical conclusions proved by experiments and analytical dependances havt been implemented in the optimum technological overlaying process, which enablec to save overlaying materials to 13-30% electric energy to 30%, to increase the working life of recovered parts to 5-6 times. The results of the research work have a universal character and can be used at repaid, machine-building, metallurgical and chemical plants.