автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Обоснование основных технологических параметров алмазной электроэрозионной обработки порошковых покрытий при восстановлении валов сельскохозяйственной техники

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ.АГРОИНЖЕНЕРНЫИ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПОПОВА Ирина Ивановна

ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЛМАЗНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ВАЛОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.20.03 - Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор ^ге1шических наук, профессор Ломоносов Ю . Н

Челябинск, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................. 5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..... 9

1.1. Обзор способов восстановления и характеристика металлопокрытий при восстановлении деталей .................................. 9

1.2. Механическая обработка труднообрабатываемых

ДО -В С^р^^^Я С' ГГ С-. Х'! • • • ••••••• * * * * • • • • ■ 1 б

1.2.1. Токарная обработка....................... 16

1.2.2. Абразивная обработка..................... 19

1.2.3. Износ и стойкость шлифовальных кругов.... 23

1.3. Электрофизические и электрохимические методы обработки при восстановлении деталей ...... 30

1.3.1. Размерная электрохимическая обработка.... 30

1.3.2. Электроэрозионная обработка.............. 31

1.3.3 . Комбинированная обработка..: . . . . . . . . . . . . . . . 33

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗРАБОТКИ

РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛМАЗНЫХ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ ....................... 40

2.1. Выбор рациональных режимов при алмазном шлифовании................................ 40

2.2. Выбор рациональных режимов при АЭЭО порошковых покрытий . . . , ... . . ...... . . . . . . . . ...... 47

Глава 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...,. 56

3.1. Общая методика ............................ 56

3.2. Описание экспериментальной установки ...... 58

3.3. Методика сравнительной оценки износостойкости микропористого покрытия, обработанного алмазным электроэрозионным методом ........ 62

3.4. Методика измерения шероховатости обработан-

ной поверхности........................... 64

3.5. Методика оценки коррозионной стойкости .... 65

3.6. Методика установления величины оптимальной мощности импульсного тока ................. 67

3.7. Методика измерений составляющих сил резания при АЭЭО и расчет площади (пятна) контакта 71

3.8. Материалы образцов ..................»..... 78

3.9. Методика отбора шлифовальных кругов ....... 78

3.10. Выбор состава охлаждающей жидкости ........ 80

3.11. Методика установления износа инструмента .. 81

3.12. Анализ состояния рабочей поверхности инструмента и металлографический анализ слоя

по еле АЭЭО................................. 86

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ АНАЛИЗ........ 89

4.1. Шероховатость поверхности при АЭЭО .... . . . . 89

4.2. Результаты сравнительных испытаний на коррозионную стойкость ....................... 90

4.3. Результаты сравнительных испытаний на износ 92

4.4. Исследование режимов алмазного шлифования материалов, склонных к "засаливанию" шлифовального круга .................................92

4.5. Исследование режимов АЭЭО порошковых покры-

Ji « t. • • • • • • • «. t. л л. л. л. «. «. «. • « • 1 Ö О

4.6. Проверка точности полученных расчетов ..... 110 Глава 5. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛМАЗНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ, ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫМ НАПЕКАНИЕМ (НА ПРИМЕР ВАЛА РОТОРА ТУРБОКОМПРЕССОРА СМД-ТРК-8,5Н-1} ____ 115

5.1. Технология алмазной электроэрозионной обработки порошковых покрытий ............... 115

5.2. Расчет экономической эффективности исполь-

зовапия алмазной электроэрозионной обработки напеченных деталей .................... 119

Общие выводы.........................................127

Список использованной литературы .................... 129

Приложения........................................... 142

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных путей рационального использования трудовых и материальных ресурсов в сельском хозяйстве является восстановление изношенных деталей машин в процессе их эксплуатации. В настоящее время многие научно-исследовательские и учебные институты страны работают над разработкой, а затем и внедрением в производство высокоэффективных способов ремонта и восстановления деталей машин.

В последние годы при разработке способов восстановления деталей особое внимание уделяется вопросам разработки малостадийных технологий, и в частности, технологиям нанесения на изношенную деталь порошкового покрытия с повышенной износостойкостью без последующего упрочнения. Однако, использование данной технологии связано с трудностями механической обработки нанесенного покрытия традиционными методами (точение, абразивное шлифование) из-за специфических физико-механических свойств порошкового покрытия (высокая твердость поверхности, химическая неоднородность, шлаковые включения, окислы и др.). Это сдерживает широкое внедрение в производство такой технологии восстановления изношенных деталей и снижает эффективность ее применения.

Повысить производительность труда при восстановлении труднообрабатываемых материалов можно путем применения электрофизических способов обработки, в частности алмазной электроэрозионной обработки (АЭЭО).

При АЭЭО удаление припуска происходит под действием механического шлифования, а электрическая эрозия способствует очистке алмазных зерен от "засаливания" рабочей поверхности инструмента.

Однако этот процесс обработки пористых поверхностей

деталей недостаточно изучен. В связи с этим, целью настоящей работы явилось - исследование и разработка рациональных параметров производительного процесса АЭЭО порошковых покрытий, обеспечивающих высокое качество обработанной поверхности при минимальных трудовых и энергетических затратах.

В качестве объекта исследования выбран процесс АЭЭО деталей, восстановленных электроконтактным напеканием металлических порошков.

Предметом исследования принято установление рациональных режимов АЭЭО порошковых покрытий при восстановлении изношенных валов сельскохозяйственной техники.

Выбор деталей обоснован высокой стоимостью их обработки в процессе восстановления.

Экспериментальным путем оценивались возможные границы параметров процесса АЭЭО, при которых обеспечивались качественные показатели обработанной поверхности.

Экспериментально-аналитическим путем оценивалась себестоимость в зависимости от его технологических параметров (линейной скорости инструмента, поперечной подачи, частоты и мощности следования импульсов электротока).

Используя полученные зависимости, устанавливалась взаимосвязь между основными параметрами АЭЭО и качественными показателями обработанной поверхности.

Для проведения экспериментальных исследований была создана экспериментальная установка и разработаны частные методики.

В результате проведенных исследований и был разработан технологический процесс АЭЭО. На полученных режимах проводилась АЭЭО напеченных шеек валов турбокомпрессора, цапф ведущих и ведомых шестерен масляного насоса типа НШ.

Дана технико-экономическая оценка предлагаемой технологии АЭЭО пористых порошковых покрытий при восстановлении деталей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана технико-экономическая модель процесса АЭЭО порошковых покрытий при восстановлении изношенных деталей, исследования которой обеспечивают разработку рациональных режимов обработки.

2. Разработанная методика выбора рационального режима АЭЭО порошковых покрытий позволяет учесть основные факторы, влияющие на себестоимость обработки: производительность процесса, стойкость инструмента, качество обработанной поверхности, затраты трудовых и материальных ресурсов .

3. Получено математическое выражение для расчета значения средней величины напряжения импульсов тока, подаваемого в зону контакта шлифовального круга с обрабатываемой деталью, при котором обеспечивается минимальный износ рабочей поверхностью круга.

Подсчитана эффективность внедрения разработанной технологии, где приведены в сопоставлении технико-экономические показатели АЭЭО и абразивного шлифования. Разработанная технология принята к внедрению на "Еманжелинском ремонтном заводе".

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе полученных результатов исследования разработан новый технологический процесс обработки порошковых покрытий при восстановлении деталей с одновременной очисткой алмазного инструмента от "засаливания".

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на ежегодных межвузовских конференциях на кафедре ремонта машин Челябинского государственного агроинженерного уни-

верситета в 1992...1997 г.г., на Всероссийской научно-практической конференции при Алтайском СХИ г. Барнаул, в Киевском институте сверхтвердых материалов (г. Киев, 1991 г.) .

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в сборнике научных трудов ЧГАУ, в "Вестнике" ЧГАУ, в информ. листке Челябинского ЦНТИ.

Представленная работа выполнена в соответствии с Федеральной Государственной программой "Машиностроение для АПК России" и планов НИР Челябинского государственного агроинженерного университета на 1991...1997 г.г.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор способов восстановления и хараютеристика металлопо!фытий при восстановлении деталей

Опыт работы передовых ремонтных предприятий Агропрома России показывает, что значительным резервом снижения стоимости ремонта техники, сокращения расхода запасных частей, экономии металла при ремонте является внедрение различных способов восстановления изношенных деталей [1,2,3,4]. При этом все способы восстановления, связанные с нанесением на изношенную поверхность детали специальных дополнительных покрытий, компенсирующих изменение геометрических размеров детали вследствие износа, можно разделить на две группы (рис. 1.1).

Первая группа способов обеспечивает нанесение на изношенные поверхности деталей монолитного слоя металла, образованного или различного вида наплавками, или использованием гальванических методов нанесения покрытий. Вторая группа - обеспечивает нанесение на поверхность детали микропористого слоя (за счет нанесения порошковых покрытий) . В этом случае используются злектро и газовое напыление (электродуговое, газопламенное, детонационное), а также электроконтактное напекание металлических порошков (ЭКН МП). При применении напыления, напекания и др. методов порошковой металлургии используется широкий выбор материала (тугоплавкие металлы, карбиды, бориды, нитриды, оксиды и др.)

Использование порошковых покрытий обеспечивает резкое повышение износостойкости восстановленной поверхности изношенной детали, что приводит к значительному повышению послеремонтного ресурса такой детали [5,6,7].

Наличие пористости создает благоприятные условия &&0-бенно для работы подвижных сопряжений. Подвижные согфйже-

Рис о 1.1

ния, у которых одна из деталей имеет пористое покрытие, обладают эффектом самоСмазываемости [10].

Наличие этого эффекта объясняется различием в коэффициентах температурного расширения смазки и материала детали. При повышении температуры трущихся поверхностей в период масляного голодания (период пуска ДВС) масло за счет большого объемного расширения выступает из пор и капилляров и смазывает поверхности трения, что и предотвращает их схватывание и износ. Наиболее универсальным технологическим методом восстановления деталей в ремонтном производстве комбинированными материалами является напыление (плазменное и детонационное) и нанесение металлических порошков [5,7,8,9]. Применяют, как правило, порошковые материалы на основе железа и никеля с высоким содержанием углерода (табл. 1.1). Эти сплавы обладают высокими эксплуатационными свойствами.

Указанные способы наращивания позволяют получать для каждого конкретного нагружения соответствующие физико-механические свойства нарощенного слоя.

Стремление получать более качественный слой побудило некоторых исследователей применять методы упрочнения (малостадийная технология), которые могут осуществляться одновременно с наращиванием слоя без дополнительной термообработки [6,9,12,13].

Применение малостадийной технологии, совмещающей наращивание, закалку и легирование нарощенного слоя, позволяет сокращать количество технологических операций при восстановлении деталей, но при этом нарощенный слой получается высокопрочным, что значительно затрудняет снятие припуска при последующей обработке.

Таблица 1-1

Химический состав применяемых порошковых материалов

Марка порошка Содержание компонентов, % по массе

Хром Бор Кремний Железо Углерод Никель Кобальт Вольфрам

ПГ-10Н- 01 14, 020, 0 2,84,2 4,0-4,5 3,0-7,0 0, 60,1 ост. —

пг-юк-01 21,025,0 1,21,8 0,8-1,3 до 2,0 1,31,7 28,0-32 ОСТ . 3,5-4,5

ПГ-12Н-01 8,014,0 1,72,8 1,2-3,2 2,0-5,0 0,30, 6 ост.

Трудности, возникающие при механической обработке высокотвердых и высокопрочных материалов, сдерживают широкое распространение совмещенной (малостадийной) технологии восстановления деталей.

На качество нарощенного наплавкой металла оказывает большое влияние его химическая неоднородность, поскольку легирующие элементы в процессе кристаллизации располагаются неоднородно, слоями.

В результате этого образуются зоны различной растворимости, при этом наибольшей склонностью к перераспределению обладают кремний, хром, углерод и др. элементы [14, 15] .

Повышение содержания углерода в стали или введение легирующих элементов в значительной степени способствует появлению мартенсита, твердость которого может достичь 60...64 НКС, что существенно затрудняет последующую обработку нанесенного покрытия. Кроме того, при определенных условиях, повышенное содержание углерода может привести к образованию трещин [11,14,15].

Применение порошковых проволок для восстановления деталей дает возможность получать нарощенные слои металла

не только высокой твердости, но и высокого легирования. А это приводит к повышенной износостойкости как при трении скольжении, так и при трении качения [10,11].

Считается, что любой химический элемент, который повышает прочность при растяжении, будет повышать и сопротивление усталости.

При напылении порошками обеспечивается меньшее выгорание элементов, благодаря защитному действию нейтральных газов, применяемых в процессе наращивания [17,18,19], чем при наплавке в воздухе, кислороде, значительно меньше в среде углекислого газа и под слоем флюса [20,21,22].

В напыленной и напеченной сталях кроме сорбита, присущего структуре исходной проволоки и порошка, имеются составляющие троосто-сорбита, троосто-мартенсита и мартенсита [6,9,1:9^23] т.е. структура нарощенных слоев представляет собой целый спектр всех структур распада аусте-нита: перлита, сорбита, троостита и мартенсита.

Твердость напыленных сталей - 238...535 НВ [23,24,25], она определяется прежде всего закалкой частиц, происходящей в результате быстрого охлаждения их воздушной средой, а также частичным наклепом металла, который имеет место при ударе, происходящем в момент соприкосновения летящей частицы с напыляемой поверхностью.

Твердость напеченного слоя зависит от исходного материала (порошка), технологических режимов и изменяется неодинаково. Так в работе [9, 26] указано, что твердость меняется в широких пределах (80 - 130 НУ) при напекании порошками ПЖЗМ2. Использование науглероженного порошка позволило повысить твердость покрытия до 380 НV, при этом максимальная твердость приходится на пограничную зону, зону сцепления [6].

Напеченные и напыленные слои обладают значияяшиьной

пористостью. Поры могут быть закрытыми, а при небольшой толщине слоя - сквозными. При этом независимо от вида пор они оказывают большое влияние на упругость, прочность, твердость, тепло и температуропроводность порошкового покрытия .

Изменяя способы получения покрытий, технологические режимы, материал покрытий можно регулировать пористость покрытия. Так, при напылении пористость слоя составляет 10...18% по объему [25] и до 10% по площади [23,25].

При использовании индукционного нагрева токами высокой частоты при формировании металлокерамического слоя способом обмазки, пористость его достигает 40%, но при повышении давления прессования пористость слоя снижается до 10...12% [27]. При этом поры частично заполняются неметаллическими включениями, твердость, как правило, равняется 200...210 НУ [28].

Применение металлирования дает возможность наносить покрытия с различными свойствами по прочности, твердости (70...400 НВ}, пористости (60...90%), структуре и другими характеристиками [29] . Свойства нарощенных поверхностей, прежде всего, определяются исходным материалом и режимами металлирования, а высокая твердость покрытия достигается за счет использования карбидов, боридов и окислов.

При получении работоспособных покрытий пористость напеченных слоев может изменяться в широких пределах (0,2...30%). Так в работе [30], при наращивании фасок клапана ДВС пористость составила 0,2...0,5%, а при восстановлени