автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Обоснование и разработка технологии восстановления деталей газопламенным напылением порошковых материалов с применением электромеханической обработки

РГ6 од

1 з а;зи 1955

МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.П.ОГАРЁВА

На правах рукописи

НАВОЗНОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОПЛАМЕННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.20.03 - Эксплуатация, восстановление

и ремонт сельскохозяйственной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саранск - 1995

Работа выполнена на кафедре "Ремонт машин и технология металлов" Ульяновского сельскохозяйственного института.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

и.о.доцента С.К.Фёдоров Научный консультант: кандидат технических наук,

доцент В.О.Надольский

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, профессор Е.А.Лисунов

Ведущее предприятие: АВГ0РЕМЗАВ0Д г.Ульяновск

Защита состоится " 3 " Ин?А -Я- 1995г. в 10 на заседании диссертационного совета К 063.72.05 Мордовского ордена Дружбы народов Государственного университета имени Н.П.Огарёва по адресу: 430904, г.Саранск, П.Ялга, ул. Российская, 5. факультет МЭСХ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан ¿¿¿у/иЯ- 1995г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью просим направлять ученому секретарю диссертационного Совета Мордовского Государственного университета по защите кандидатских диссертаций.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

Оппонент " кандидат технических наук, доцент Котин А.Б.

доцент

М.К.Волков

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Современное сельскохозяйственное производство оснощено разнообразной сложной техникой, безотказность работы которой зависит от срока службы наиболее нагруженных деталей. Устаревание машинно-тракторного парка, резкое сокращение централизованной поставки запасите частей вынуждает сельскохозяйственные предприятия заниматься восстановлением работоспособности машин в своих мастерских. 3 связи с этим проблема разработки и внедрения технологий восстановления деталей, гарантирующих качество ремонта, является важной и актуальной.

Одним из путей повышения ресурса отремонтированной техники снижения расхода запасных частей является внедрение в ремонтное производство технологии восстановления деталей с использованием газопламенного напыления порошковых материалов. Однако низкая прочность сцепления основного и дополнительного металла, необходимость тщательной подготовки поверхности перед напылением, слож-нцсти последующей механической обработки и подготовки специалистов по обслуживанию оборудования сдерживают широкое внедрение газопламенного напыления в ремонтное сельскохозяйственное производство.

В данной работе решалась научно-техническая задача создания технологических основ восстановления деталей типа "вал" за счет применения способа электромеханической обработки с целью подготовки поверхности детали под последующее газопламенное напыление по-роакозых материалов.

Цель работы: Теоретически обосновать, разработать, исследовать и рекомендовать ремонтному производству технологию восстановления деталей газопламенным напылением порошковых материалов с применением электромеханической обработки. Задачи исследований:

- исследовать состояние деталей поступающих в ремонт и изучит характерные дефекты рабочих поверхностей;

- изучить основные способы восстановления деталей типа "вал" и обосновать возможность применения технологии газопламенного напыления порошковых материалов с применением электромеханической обработки;

- обосновать выбор способа подготовки поверхности под газопламенное напыление электромеханической обработкой;

- провести структурно-фазовые исследования восстановленной поверхности, а также испытания на износостойкость напыленного металлопокрытия;

- разработать рекомендации для' внедрения технологии восстановления деталей газопламенным напылением порошковых материалов с применением электромеханической обработки в условиях ремонтного производства.

Объект исследования - образцы и детали восстановленные газопламенным напылением порошковых материалов с поверхностью подготовленной электромеханической обработкой.

Научная новизна работы заключается в совершенствовании метода электромеханической обработки применительно к восстановлению деталей машин газопламенным напылением порошковых материалов с принципиально новым способом подготовки поверхности за счет образования специального профиля позволяющего повысить прочность сцепления основного и дополнительного материалов / патент № 1758082 от 1.05.1992 г. / в определении условий формирования специального замкового профиля восстанавливаемой поверхности; в установлении зависимости прочности сцепления от режимов электромеханической высадки и сглаживания, геометрических параметров и физико-механических свойств поверхности.

Практическая значимость работы.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований восстановленных поверхностей разработаны практические рекомендации для реставрации широкой номенклатуры деталей тракторов, автомобилей и другой с/х техники в условиях ремонтного производства.

Способы внедрения в условиях ремонтных мастерских АООТ Агротехснаб Ульяновской области, АО "Витязь" г. Ульяновск при восстановлении деталей типа "вал".

Исходя из высокой эффективности восстановления деталей газопламенным напылением порошковых материалов с предварительной подготовкой поверхности электромеханической высадкой и сглаживанием на указанных предприятиях созданы специальные участки.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований обсуждались и были одобрены на научных конференциях факультета механизации сельского хозяйства Ульяновского сельскохозяйственного института в 1985-1994 г.г., на научно-технических конференциях "Прогрессивные технологии нанесения

металлопокрытий на детали машин /Челябинск, 1985 г./, " Снижение материалоемкости и повышение долговечности деталей машин за счет применения прогрессивных методов термохимической и механической обработки" / Волгоград, 1989 г./, " Электрофизические методы и технологии воздействия на структуру и свойства металлических материалов" /Николаев, 1990 г./, " Работы в области восстановления и упрочнения деталей" ЛАосква, МДНТ11, 1991 г./.

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, в т.ч. один патент.

Структура в объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и основных выводов, изложена на страницах машинописного текста, содержит рисунков, таблиц и приложения содержащего заключения об эксплуатационных испытаниях, акты внедрения, результаты обработки на ЭВМ. Список использованной литературы содержит наименований.

В первой главе проведен анализ характерных дефектов деталей типа "вал", рассмотрены основные способы восстановления деталей металлопокрытиями и их влияние на показатели качества, приведены недостатки существующих способов подготовки поверхностей под газопламенное напыление порошковых материалов, выполнен анализ и обоснована необходимость применения электромеханической обработки для подготовки поверхности под восстановление металлопокрытиями.

Во второй главе " теоретическое обоснование восстановления деталей газопламенным напылением порошковых материалов с применением электромеханической обработки" отражены результаты исследований применения метода электромеханической высадки и сглаживания для формирования специального профиля поверхности, позволяющего повысить прочность сцепления основного и дополнительного материала. В главе отражено влияние режимов и последовательности выполнения операций электромеханической обработки на прочность сцепления с проведением многофакторного эксперимента и составлением математического уравнения.

В третьей главе " Общая методика исследований" выявлены критерии оценки и контролируемые параметры, приведено описание применяемых приборов, оборудования, оснастки, инструментов и материалов, методов и средств измерения, методик лабораторных и экспериментальных исследований, разработана структура исследований.

В четвертой главе " Результаты экспериментальных исследований" отражено влияние режимов электромеханической обработки на структуру, физико-механические свойства и форму поверхности, на изменение величины и формы образованного рельефа, приводятся результаты испытаний на прочность сцепления основного и дополнительного металлов, влияние электромеханической подготовки поверхности под газопламенное напыление на предел выносливости, износостойкость восстановленной поверхности.

В пятой главе " Разработка технологии восстановления и эксплуатационные испытания деталей", приведена технология восстановления деталей газопламенным напылением порошковых материалов с подготовкой поверхности электромеханической обработкой, рассмотрены результаты восстановления вала дополнительного коробки передач трактора ДГ-75 М и производственных испытаний деталей.

Б шестой главе приводится экономическое обоснование предлагаемой технологии восстановления деталей газопламенным напылением порошковых материалов с использованием электромеханической обработки.

В приложении представлены копии документов, подтверждающих практическое значение работы и научную новизну разработок.

Основное содержание работы.

Анализ характерных дефектов деталей машин показывает, что наиболее часто происходит нарушение посадки в сопряжении вал-подшипник качения. Для восстановления работоспособности узла применяют различные способы. Выбор рационального способа восстановления деталей определяется по критериям применяемости, долговечности и технико-экономической эффективности. Среди других способов восстановления поверхностей используется газопламенное напыление порошковых материалов. Способ позволяет получать композиционные покрытия различного назначения, сочетающие в себе уникальные, порой противоположные свойства, например, хорошую прирабаты-ваемость и высокую износостойкость. Существенным недостатком, сдерживающим возможность более широкого применения метода для восстановления деталей машин, является низкая прочность сцепления основного и дополнительного металла. Применяемые методы подготовки поверхности: механический (нарезка "рваной" резьбы, фрезерование канавок, насечка поверхности, накатка роликом); дробеструйный ( пескоструйная обработка,обработка дробью, или косточковой крошкой); электроискровой; химический; напыление слоя молибдена не

позволяют добиться необходимой прочности сцепления, снижают предел выносливости детали, сложны для осуществления в условиях сельскохозяйственного производства.

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в области электромеханической обработки В.М. Аскинази, Э.В. Рыжовым, A.B. Поляченко, Ю.Д. Александровым и другими учеными позволяет использовать электромеханическую высадку и сглаживание как способ подготовки поверхности под газопламенное напыление порошковых материалов.

Внедрение в систему уже сложившегося ремонтного производства новых способов восстановления деталей является далеко не простой задачей. Для этого новые технические решения должны превосходить существующие методы обработки деталей машин. В данных исследованиях оценивалось влияние нового способа подготовки поверхности под последующее газопламенное напыление порошковых материалов. Качество восстановленных деталей оценивалось коэффициентом долговечности К^

Кд = i (кс4; Kg ; Ки), (i)

где Ксч - коэффициент, характеризующий адгезионную прочность сцепления;

Кв - коэффициент выносливости;

К и - коэффициент износостойкости.

В основу выбора способа восстановления закладывается и технологический критерий т

Кт =f(MA; Фд; Ад'. Wa;Ma;ZTl) (2)

где Мд - материал детали; Фд форма и диаметр восстанавливаемой поверхности детали; Ид^ - износ детали; Нд - величина и характер нагрузки, воспринимаемой деталью; SLTl- сумма технологических особенностей способа, определяющих1"область его рационального применения.

В практике электромеханического восстановления посадочных мест валов под подшипники качения без дополнительного металла (износ поверхности до 0,2 мм) важнейшее значение отводится коэффициенту полноты контакта . Экспериментально установлено, что значение k не должно быть менее 0,67

к --¡г /а)

где ^ - суммарная длина участков высаженной и сглаженной электромеханической обработкой поверхностей;

Zj - общая длина запресовки. Связь между необходимым диаметром высаженного профиля и геометрическими параметрами при обработке описывается зависимостью _ . L

где Р - шаг высадки; k/ - действительный коэффициент полноты профиля, зависящий от соотношения ^^ ; Л А 2 - увеличение диаметра при высадке. Из формулы (3) видно, что получить значение коэффициента полноты контакта k = I можно, если заполнить образовавшиеся кармашки дополнительным материалом.

Для подготовки поверхности необходимо произвести выдавливание металла детали до максимально возможного увеличения диаметра. При этом велчина радиального усилия, необходимого для перемещения металла определяется из соотношения,

Р* = РсР ' Ь««^ , ($)

где Р„_ - среднее удельное усилие инструмента на деталь;

- максимальная контактная поверхность инструмента с деталью.

Значение показателей формулы (5) определяются из следующих зависимостей:

РСр можно рассчитать используя теорию скольжения при вдавливании клина в поверхность

2j±£Yn я + (<*)

Р. - 2ксрг ircL 1

^ - + 36^ J

п

где |< Ср _ с у/ц- - среднее значение сопротивления

1 + ¡00н материала детали пластической

деформации; - угол при вершине инструмента ; ^ - характеристика степени деформации; С, О - коэффициенты зависящие от марки материала. После высадки поверхности производится ее сглаживание. При этом сила действующая на поверхность детали определяется путем интегрирования следующего вырг^сения:

О = 2 В JI (Г¿¿к ,

о

где В - размер, характеризующий ширину соприкосновения ролика и .сглаживающей поверхности;

(7)

Поверхность восстановленная газопламенным напылением

с профилем подготовленным электромеханической обработкой

Рис. I

- напряжение по площади соприкосновения. На подготовленную электромеханической обработкой поверхность производится газопламенное напыление (рис.1). При этом связь между собой напыляемых частиц и связь частиц порошка с основным металлом происходит не только за счет молекулярного взаимодействия» но и носит механический характер.

Ссц - СГС Сер 3 ( д )

где (Зс - прочность сцепления достигаемая за .счет сплавления основного и дополнительного материалов; СГФ- прочность сцепления, полученная в результате электромеханической подготовки со специальной формой поверхности

(Гер (2 )

где в,с - параметры, характеризующие размеры и форму замка. Тогда, решая зависимость (8) с учетом (9) имеем

^ - - «■< -ьь ао)

где (Уу-у— поверхностное натяжение на границах твердого тела с газовой средой; ф - краевой угол смачивания твердого тела частицами; . характеризующими степень деформации частиц;

средний диаметр частиц при полете; ^Р - относительный коэффициент удлинения напыленного металла;

- угол крутизны микрорельефа поверхности основания; с*- - коэффициент теплового линейного расширения покрытия; Ел - модуль упругости при растяжении напыленного металла -¿с,»£сг. - температура внутренних и наружных частей покрытия.

Используя метод математического планирования эксперимента определено влияние режимов электромеханической обработки Эсилы тока, давления, скорости вращения детали, подачи при высадке и сглаживании на адгезионную прочность сцепления. Для случая электромеханической высадки

При электромеханической высадке и сглаживании

у - Ш, 6 - - М*. Ха + ? X* <з +А ЬХ2 f

+ 5, / Х3 - 9; 4 X, Хг *3 ^ 9х, х2 в X, Х3 ^ (42)

Зависимость прочности сцепления от шага высадки ( Сталь 45 - ПГ - ХН80СР2 )

1,25 1,5 1,75 РхЮ~3м Рис.2

- электромеханическая высадка и

сглаживание

- нарезание рваной резьбы

—О - электромеханическая высадка

Изнашиваемость поверхностного слоя и хЮ"6м

300 250

200

150 100 50

10 20 30 40 50 60 Рис.3

- ПГ-ХН 80СР2 НРС - 35

-Д - ПГ-ХН 80СРЗ НРС - 45

-о - ПГ-ХН 80СР4 НРС - 55 - ПГ-ХН80СР2 НРС - 60

( электромеханическое упрочнение) II

Подготовка поверхности электромеханической обработкой и последующее газопламенное напыление порошковых материалов производилось на токарно-винторезном станке модели 1К62. Электромеханическая высадка и сглаживание выполнялись с использованием следующего оборудования и оснастки: установки для электромеханической обработки / УЭМ0-2М/; электроконтактного устройства / ЭКУ/; державки телескопической. В качестве инструмента использовались ролики из твёрдого сплава Т15К6, БК 6 заточенные под соответствующий профиль и доведённые до шероховатости рабочих поверхностей Ра 0,032...0,012 мкм. Для напыления применяются самофлюсующиеся порошки ПГ-ХН80СР2, ПН-77Х15С, ПН-70Х17С4Р4.

Микротвёрдость измеряли на приборе ПМТ-3 в соответствии с ГОСТ 9450-76 при нагрузке 100 грамм. Микроструктуру изучали на приборах МИМ-7, МИМ-8М рпи увеличении в 50...500 раз.

Фотографии микроструктуры поверхностей сделаны на оптическом микроскопе НЕ0РН0Т-1 / призводство Германия/. Испытания на усталость проводились в конструкторско-исследовательском отделе научно-технического центра АО КамАЗ по ГОСТ 23026-78, предусматривающему исследования при наличии концентрации напряжений при ассиметричном цикле нагружения с предварительным усилием. Исследования проводились на специальных образцах с применением профилографа УР-30 /Япония/, на сервогидравлическом стенде МТС 966.01 / США / в специальных захватах. Программа испытаний включала: измерение геометрических параметров поверхности, оценку усталостной прочности / рис.4 /, металлографический анализ. Испытания на определение прочности / рис,2 / проводились в соединении покрытия с основой / адгезионная/ методом тангенциально го сдвига по известной методике. Для определения адгезионной прочности использовались установки: измеритель усилий сдвига; стабилизированный источник питания, тензоусилительная станция "Топаз" и "Гран"; самопишущего потенциометра КСП-4", дистанционного кабеля.

Оценка истирающей способности восстановленных рабочих поверхностей проводилась на машине трения 2070 СМТ-1 по схеме "ролик по ролику" при трении качения с 15% проскальзыванием. Смазка производилась маслом "индустриальное -20" смешанным с кварцевой пылью с размером частиц до 1хЮ-^ м. испытания проводились в течении 70 часов. После каждых десяти часов испытаний измерялся линейный износ образцов / рис. 3/.

В связи с тем, что высокая твёрдость напыленного покрытия

Результаты усталостных испытаний

29С

280

270

260

250

240

230

220

210 С

200 О

тчо £ л

180 О Г-

170 5

160 1 - в

15С ! / 0

!

140 | ■

С о и ^ о { 3

Рис. 4.

нн Кривые усталости: 1-гладкого образца;

со

2-образца подготовленного электромеханической высадкой

Не позволяет использовать в качестве окончательного метода обработку резанием, то в дальнейшем производили электромеханическое упрочнение напыленной и обработанной точением поверхности. Результаты испытания приведены на рис.3.

Электромеханическая подготовка поверхности под последующее газопламенное напыление порошковых материалов в условиях Карсунского АООТ Агротехснаб Ульяновской области применяется для восстановления посадочных мест валов под подшипники качения. Деталью имеющей износ поверхности под подшипники качения являются: вал дополнительный КПП, вал вторичный КПП трактора ДТ-75М. Материал вала - сталь 45. При износе посадочных мест происходит нарушение работы сопряжения подшипник-вал, что приводит к перекосу вала, затрудняет включение передач, вызывает 'повышенный износ шестерён коробки передач. По разработанной технологии на специально созданном участке, произведено восстановление партии валов. По результатам эксплуатационных испытаний, проведённых в хозяйствах Ульяновской области, установлено, что по своим эксплуатационным свойствам восстановленные детали практически не уступают новым и значительно превосходят детали восстановленные сваркой и различными наплавками.

ОЕЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Изучение физических и технологических особенностей способов подготовки поверхности под газопламенное напыление порошковых материалов позволило установить, что существующие методы не обеспечивают необходимой прочности сцепления напыленного материала с металлом детали, снижают предел выносливости неприемлемы для деталей имеющих высокую твёрдость поверхности.

2. Дано теоретическое обоснование восстановления деталей газопламенным напылением порошковых материалов на специально

подготовленную форму поверхности полученную электромеханической высадкой и сглаживанием. Теоретически доказано, что повышение прочности адгезионного сцепления происходит за счёт межмолекулярного взаимодействия и в результате механического сцепления порошка на поверхности.

3. Разработан принципиально новый способ подготовки поверхности / патент № 1758082 от I.Об.94г..основанный на пласти-т,

' ТА

ческом перераспределении металла детали за счёт высадки и последующего сглаживания изношенной детали электромеханической обработкой. Метод позволяет повысить не только прочность сцепления, но и повысить усталостную прочность.

4. Сравнительные испытания на выносливость показали, что при электромеханическом способе подготовки поверхности предел

выносливости образца диаметром по впадине 10,00 мм равен 187 МПа, что на 5% выше, чем у гладких образцов диаметром 10,80 мм. Повышение сопротивлению усталости экспериментальных образцов связано с тем, что зона высадки подвергается пластическому деформированию и закалке по периметру на глубине 0,15...0,20 мм.

5. Испытаниями по определению прочности сцепления покрытия с основным металлом , методом сдвига тангенциальной силой установлено повышение адгезионной прочности в сравнении с другими способами.

По результатам математического планирования эксперимента установлено, что адгезионная прочность сцепления зависит от режимов электромеханической обработки, шага высадки и сглаживания металла. При шаге высадки Р=1,25...1,5 мм прочность сцепления составила 250-265 МПа.

6. Оценка истирающей способности напыленного металлопокрытия показала, что износостойкость образцов в значительной мере зависит от твёрдости поверхностного слоя детали.

Применение электромеханического упрочнения поверхности напыленного образца / порошком марки ПГ-ХН80СР2, НЕС 35 / позволи ло в 2,3...2,8 раза снизить его износ, за счёт повышения микротвёрдости до НРС 58...60 и образования специфичной формы микронеровностей.

7. Разработаны практические рекомендации по восстановлению деталей газопламенным напылением с подготовкой поверхности электромеханической обработкой. Результаты эксплуатационных испытаний валов дополнительных трактора ДТ-75М показали, что износ восстановленных деталей уменьшился в 1,6...2,3 раза. Неисправности задних мостов по причине выхода из строя восстановленных валов не наблюдалось.

8. Результаты исследований внедрены в технологический процесс восстановления валов в Карсунском АООТ Агротехснаб УЛЬЯНОВСКОЙ области. Годовой экономический эффект от внедрения метода составил 958,4 тыс. руб.

Основные полокения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Аскинази Б.М., Наумчев С.Б., Навознов А.Н., Шаронов ¿I.A. Применение электромеханической обработки для повышения качества порошковых металлопокрытий . В.сб.: Прогрессивные технологии нанесения металлопокрытий на детали машин. Тезисы докладов научно-технической конференции. Челябинск, 1985, с.2£>,

2. Надольский В.О., Наумчев С.Б., Навознов А.Н. Восстановление дополнительного вала КПП трактора ДГ-75М с применением электромеханической обработки / ЭМО /. Тезисы доклада научно-технической конференции. "Снижение материалоемкости и повышение долговечности деталей машин за счет применения прогрессивных методов термохимической и механической обработки. Волгоград, 1969,с. 57-59.

3. Надольский В.О., Наумчев С.Б., Навознов А.Н. Восстановление вала дополнительного КПП трактора ДГ-75М. Инф.листок ЦНТИ Ü 168, Ульяновск, 1989.

4. Надольский В.О., Навознов А.Н. Повышение эффективности восстановления деталей напылением порошковых материалов с применением электромеханической обработки. В.сб. : Электрофизические методы и технологии воздействия на структуру и свойства металлических материалов. Николаев, 1990, с.139-141.

5. Надольский В.О., Навознов А.Н., Федоров С.К. Технология подготовки поверхности деталей электромеханической обработкой для газопламенного напыления. В.сб.: Работы в области восстановления и упрочнения деталей. М.: МЦНГП, 1991. c.öö-öö.

о. Навознов А.Н., Надольский В.О. Способ подготовки поверх ности деталей. Патент № 1758082 от 1.06.94г./Роспатент/.

Формат 00x84 I/I6. Уч.-изд. л.1. Тир. 100. Зак. Типография Ульяновского сельскохозяйственного института