автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Обоснование технологических параметров механической обработки поверхностей деталей, модифицированных интерметаллидами

На правах рукописи

Макеев Дмитрий Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИНТЕРМЕТАЛЛИДАМИ

Специальности: 05.02.08 — Технология машиностроения 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАР 2015

005559929

Саратов - 2015

005559929

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Виноградов Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор Захаров Олег Владимирович

Официальные оппоненты: Гро.иаковский Дмитрий Григорьевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», профессор кафедры «Технология машиностроения»

Бобровский Игорь Николаевич кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», начальник лаборатории НИЛ-7 «Автомобильные технологии»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Пензенский

государственный университет».

Защита состоится «13» апреля 2015 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77, корпус 1, аудитория 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А» и на сайте www.sstu.ru.

Автореферат разослан «И » февраля 2015 г.

Ученый секретарь ^

диссертационного совета ^-гг"----Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современных условиях постоянного сокращения сырьевых ресурсов особую значимость обретают ресурсосберегающие технологии, к которым относятся методы наплавки. Применение наплавочных покрытий позволяет повысить качество поверхности деталей, как новых, так и восстанавливаемых. Наиболее ответственные детали машин и механизмов изготавливают из высокопрочных легированных сталей. Нанесение интерметаллидных покрытий позволяет изменить технологию и использовать заготовки из недорогих материалов с более низкими физико-механическими характеристиками, а затем выполнять модификацию рабочих поверхностей высокопрочными легированными материалами. Также целесообразно восстановление наплавкой наиболее дорогостоящих ресурсоопределяющих деталей станков и другой техники, которые подвержены наибольшему износу в процессе их эксплуатации.

Наплавкой с получением заданных состава и свойств, а также особенностями последующей обработки занимались Патон Б.Е., Казаков Ю.Н., Ковтунов А.И., Наливкин В.А., Сидоров В.П. и др. Труды этих ученых заложили теоретические основы процесса наплавки, однако исследования в этом направлении сохраняют актуальность в настоящее время.

Получение высокой твердости наплавленных покрытий затруднено в связи с увеличением возникающих напряжений в металле покрытия, специфики формы наплавленного покрытия, а также сложностью стандартных методов дальнейшей механической обработки. Одним из решений данной задачи являлось применение последующей термической обработки или совмещение механической обработки с процессом наплавки. Оба этих решения приводят к удорожанию процесса изготовления или восстановления в целом. Предложена феноменологическая модель позволяющая получать наплавленные покрытия с заданными свойствами.

Механическая обработка наплавленных покрытий имеет особенности, которые необходимо учитывать при выборе инструмента и назначении режимов резания. Основная особенность заключается в высокой твердости покрытия и изменению его свойств по глубине, а также неравномерность исходного припуска. В этом случае технологический процесс следует проектировать, обеспечивая заданное качество поверхности на чистовой операции и учитывая технологическую наследственность. Известны труды в этом направлении: Безъязычный В.Ф., Маталин A.A., Яшерицин П.И.,Олендер Л.А. Поэтому получение и обработка модифицированных интерметаллидами наплавочных покрытий и их обработка с требуемыми параметрами качества является актуальным.

Цель - совершенствование технологического процесса наплавки и лезвийной обработки интерметаллидных покрытий с изменяемыми свойствами с обеспечением заданных значений параметров качества рабочих поверхностей.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Создать и исследовать феноменологическую модель получения модифицированных наплавочных покрытий с интерметаллидами, и на ее базе разработать технологическое оборудование и обосновать выбор инструмента, позволяющих направленно формировать качество поверхностного слоя заготовок.

2. Совершенствовать технологический процесс нанесения интерметаллидных покрытий и последующей лезвийной обработки с целью обеспечения тре-

буемых параметров качества, учитывая технологическую наследственность по геометрическим характеристикам поверхности.

3. Разработать комплекс математических моделей формирования параметров качества поверхностного слоя, полученного наплавкой интерметаллидами, на операциях лезвийной обработкой в зависимости от режимов резания.

4. Получить экспериментально-аналитическую методику оптимизации параметров режимов резания при чистовой лезвийной обработке заготовок с наплавочными интерметаллидными покрытиями, обеспечивающую повышение производительности при обеспечении заданных параметров качества поверхности.

Научная новизна:

1. Обоснована феноменологическая модель модификации наплавочных покрытий и на ее основе разработана наплавочная головка, позволяющие изменять физико-механические свойства интерметаллидных покрытий в зависимости от концентрации присадочного материала с помощью изменения скорости подачи присадочной проволоки и силы тока.

2. Создано методическое обеспечение технологического процесса нанесения интерметаллидных покрытий и последующей лезвийной обработки и установлена необходимость учета технологической наследственности по геометрическим характеристикам поверхности.

3. Разработан комплекс математических моделей формирования параметров качества (шероховатости, волнистости и отклонение от круглости) поверхностного слоя заготовок, модифицированных наплавкой и обработанных лезвийным инструментом, в зависимости от параметров режимов резания: скорости резания, глубины резания и подачи, а так же проведена оптимизация параметров режимов резания при чистовой лезвийной обработке заготовок с наплавочными интерметаллидными металлопокрытиями на основе математических моделей, обеспечивающих повышение производительности при обеспечении заданных параметров качества поверхности.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием положений технологии машиностроения, резания материалов, теории вероятностей и математической статистики, методов компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования наплавленных слоев проводились в лабораторных условиях с обработкой результатов экспериментов статистическими методами с использованием современных компьютеризированных измерительных средств в научных лабораториях СГТУ имени Гагарина Ю.А. и СГУ имени Н.Г. Чернышевского.

На защиту выносятся:

1. Феноменологическая модель, описывающая влияние изменения скорости подачи присадочной проволоки и силы тока в зависимости от концентрации присадочного материала на физико-механические свойства получаемых модифицированных наплавочных покрытий, и реализованной в устройстве по патенту РФ № 249484.

2. Методическое обеспечение для технологического процесса нанесения интерметаллидных покрытий и последующей лезвийной обработки, результаты экспериментальных исследований технологической наследственности по геометрическим характеристикам поверхности.

3. Комплекс математических моделей формирования параметров качества (шероховатости, волнистости и отклонение от круглости) поверхностного слоя заготовок, модифицированных наплавкой и обработанных лезвийным инструментом, в зависимости от параметров режимов резания: скорости резания, глубины резания и подачи.

4. Результаты экспериментально-аналитических исследований по оптимизации параметров режимов резания при чистовой лезвийной обработке заготовок с наплавочными интерметаллидными покрытиями и методика оптимизации, обеспечивающая повышение производительности при обеспечении заданных параметров качества поверхности.

Практическая ценность н реализация результатов работы. Разработана технология и оборудование для нанесения интерметаллидных покрытий способом наплавки под слоем флюса (патент РФ «Наплавочная головка» № 2494843).Разработана технология механической обработки, включающая в себя черновую обработку металлопокрытий инструментом с пластинами из твердого сплава ВК8 и чистовую обработку инструментом, оснащенным пластинами СВ-7015 с включением КНБ фирмы SANDVIK COROMANT.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы на предприятиях, специализирующихся на ремонте и восстановлении деталей и агрегатов транспортной техники и технологического оборудования. Опытный образец, наплавочной головки с дополнительным подающим механизмом для получения интерметаллидных покрытий, внедрен и используется в лаборатории кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» СГТУ имени Гагарина Ю.А. На Заводе «ООО Саратовгазавтоматика» проведены работы по восстановлению работоспособности первичного вала коробки скоростей горизонтально-расточного станка Tos Varnsdorf WH 10 CNC. Результаты внедрены в научную и проектную деятельность научного центра международного исследовательского института, а также в учебный процесс СГТУ имени Гагарина Ю.А. по дисциплинам «Основы технологий производства и ремонта автомобилей» и «Технология и организация восстановления деталей и сборочных единиц при сервисном обслуживании». Исследования выполнялись в рамках Федеральной целевой программы (проект № 2014-14-576-0050-065).

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на конференциях различного уровня:

Международной конференции «Инжиниринг Техно» (Саратов, 2014); Международной научной конференции «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности» (Тамбов, 2014); II Всероссийской конференции с международным участием «Развитие транспорта в регионах России: проблемы и перспективы» (Киров, 2012); Региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 70-летию инженерного института (мехфа-ка) НГАУ (Новосибирск 2014); II Всероссийской конференции «Современная Российская наука глазами молодых исследователей» (Красноярск, 2012); XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2012); VIII Саратовском Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2013); Ежегодных конференциях кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство», «Технология машиностроения» и «Проектирование технических и технологических комплексов» СГТУ имени Гагарина Ю.А. (Саратов, 2010-2014).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ. получен патент на изобретение.

Структура и объём работы. Текст диссертационной работы изложен на 141 странице компьютерного текста и состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 103 наименований, и приложений. В работе содержатся 42 рисунка и 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведены ее цель, задачи, научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору существующих технологий восстановления деталей наплавкой с дальнейшей механической обработкой. Установлено, что основные исследования процесса наплавки направлены на решение следующих задач: повышение качества наплавленного металла, расширение возможности легирования. увеличение производительности наплавки, снижение её стоимости и трудности последующей обработки. Для достижения указанных целей применяются различные способы наплавки: с защитными флюсами в смеси с ферросплавами, порошковой проволокой, колеблющимся электродом, порошкообразными смесями, наплавка лентой, наплавка лежачим электродом, многоэлектродная наплавка. наплавка, совмещенная с процессом обработки и т.д. Все достоинства и недостатки данных способов наплавки были описаны в трудах российских ученых: Н.Г. Славянова, H.H. Дорожкина, И.И. Фрумина, Н.И. Доценко, Ю.А. Юз-венко; американского изобретателя Уильяма Р. Глизона, английского С.К. Дугга-на, японского Саккума Кейцо и др. Широко известны в этой области труды Саратовской школы: В.А. Наливкина, Ю.Н. Казакова и др.

Вышеперечисленные ученые также занимались исследованиями в области обработки наплавленных металлопокрытий. В основном труды посвящены лезвийной обработке, совмещенной с процессом наплавки, либо механической обработке, которой предшествует термическая обработка для снижения твердости наплавленного покрытия. Установлено, что необходимость применения дополнительной оснастки, сложность выполнения процесса и применение термической обработки приводят к увеличению стоимости восстановления и зачастую делают ее нецелесообразной.

Во второй главе создана и исследована феноменологическая модель позволяющая получать интерметаллидные покрытия, выполнен анализ предварительных данных, рассмотрено оборудование для нанесения и обработки интерметаллидных наплавочных покрытий, применяемое при экспериментах

и контроле качества обработанной поверхности. Обоснована методика проведения эксперимента.

Рис 1. Зависимость твердости (1) и относительной износостойкости (2) наплавленного металла от содержания алюминия

Наплавку применяют для восстановления изношенных деталей, а также при изготовлении новых деталей с целью получения поверхностных слоев, обладающих повышенной твердостью, износостойкостью и другими свойствами. Существенными преимуществами обладают способы наплавки с использованием легирования наплавленного слоя. Наиболее распространены методы легирования при наплавке путем использования дополнительной проволоки, вводимой в дугу и подключенной в сварочную цепь параллельно основному металлу, в результате чего на поверхности детали образуется новая рабочая поверхность в виде сплава. Химические соединения двух или нескольких металлов между собой способны образовывать интерметаллиды, которые образуются в результате сплавления, отличающиеся высокой твердостью. Микротвердость наиболее богатых алюминием интерметаллидов находится в пределах 3800 - 11500 МПа, что позволяет сделать вывод о высокой износостойкости данных соединений. Максимальное значение относительной износостойкости и микротвердости (рис. 1) наблюдается при содержании алюминия порядка 15-21%.

Микротвердость наплавочных покрытий в нашем случае выражается зависимостью

/, а, Ь),

где: п - содержание присадочной проволоки в наплавленном слое, %; I - сила тока основной проволоки, А; а - угол наклона присадочной проволоки, град.; Ь - расстояние между основной и присадочной проволокой, мм.

При изготовлении деталей традиционный технологический процесс представлен на рисунке 2, а предлагаемый на рисунке 3. Как видно, новый технологический процесс позволяет отказаться от операций закалки и некоторых финишных операций, что обеспечивает существенную экономию ресурсов.

Термическая (отпуск)

Рис. 2. Основные операции традиционного технологического процесса изготовления деталей

Наплавочная с модификацией поверхностного слоя

Финишная на основе лезвийной обработай

Контрольная

Рис. 3. Основные операции предлагаемого технологического процесса изготовления деталей

Для получения интерметаллидного покрытия использован способ нанесения покрытия, при помощи наплавки под слоем флюса с дополнительной заземленной присадочной алюминиевой проволокой в соответствии с патентом (патент РФ № 2403138). Наплавка проводилась основной наплавочной проволокой марки 30ХГСА и дополнительной марки А1М§з. Для подачи проволок (основной наплавочной и дополнительной присадочной) использована наплавочная головка (патент РФ №2494843). Эксперимент проводился в наплавочной лаборатории кафед-

ры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Применение дополнительного легирующего элемента на основе алюминия позволяет создать интерметаллидное покрытие с повышенной твердостью.

Для наплавки использовачся переоборудованный токарно-винторезный станок с наплавочным аппаратом типа А-580. установленный на его суппорте, а для подачи дополнительной присадочной проволоки - подающий механизм от сварочного полуавтомата ПДГ-251 РИКОН. Предложенная конструкция наплавочной головки с дополнительным подающим механизмом позволяет подавать присадочную проволоку в головную часть наплавочной ванны под заданным углом и с заданным расстоянием относительно основного электрода.

На рис. 4 изображена схема наплавки двумя проволоками, основной и присадочными (вид с боку). Наплавочная головка с дополнительным подающим механизмом (рис. 5) установлена взамен стандартной наплавочной головки, полностью изолированной от тока.

Интерметаллические соединения, которые образуются на поверхности восстановленной детали путем наплавки, обладают рядом физико-механическими параметрами. которые очень схожи с закаленными высоколегированными сталями. Дальнейшая обработка осуществляется резанием. В качестве оборудования использовался токарно-винторезный станок модели 16К20. Инструментами для черновой и обдирочной обработки были выбраны проходные токарные резцы с пластинами из твердого сплава ВК8 по ГОСТ 18868-73 с углами ф=45°, <pi=45°. При финишной обработке модифицированных интерметаллических наплавочных покрытий применялись сменные пластины фирмы SANDVIK COROMANT марки СВ7015-Н10(Н05-Н15), которые состоят из твердого сплава с небольшими включениями кубического нитрида бора.

Первой задачей экспериментальных исследований являлось изучение влияния режимов наплавки интерметаллидных поверхностей на микротвердость покрытий. Вторая задача исследований заключалась в изучение влияния режимов

Рис. 4. Схема наплавки двумя проволоками: 1 - основная проволока; 2 - присадочная проволока; 3 - деталь; 4 - флюс (патент РФ № 2494843)

Рис 5. Наплавочная головка с дополнительным подающим механизмом

токарной обработки на качество обработанной поверхности. В качестве функции отклика были выбраны параметры: шероховатость поверхности, отклонение от круглости и волнистость. Эксперименты проводились в лаборатории СГТУ имени Гагарина Ю. А.

По результатам предварительных экспериментов в качестве варьируемых факторов для наплавки модифицированных интерметатлидных покрытий были выбраны: процентное содержание присадочной проволоки п, %,и сила тока I, А (табл. 1). В качестве факторов для черновой (табл. 2) и чистовой (табл. 3) обработки модифицированных интерметаллидных покрытий были выбраны: скорость резания V, м/мин, глубина резания /, мм, и подачам, мм/об.

Таблица 1

УРОВНИ Факторы процесса в единицах измерения

Содержание алюминия и, % Сила тока /, А

Верхний 30 220

Нижний 10 180

Таблица 2

Факторы процесса в единицах измерения

УРОВНИ Скорость резания V, м/мин Глубина резания 1, мм Подача мм'об

Верхний 25 : 1 0,07

Нижний 5 0,5 0,21

Таблица 3

Факторы процесса в единицах измерения

УРОВНИ Скорость резания г-, м/мнн Глубина резания г, мм Подача 5, мм/об

Верхний 124 0,2 0,07

Нижний 198 0,4 0,21

Проведена экспериментачьная проверка опытных образцов для получения интерметаллидных модифицированных поверхностей с применением нового оборудования (наплавочная головка) и предварительные эксперименты для определения значении факторов эксперимента и постоянных величин. Обоснована методика двухфакторного эксперимента для нанесения метачлопокрытий и трехфактор-ного эксперимента для черновой и чистовой лезвийной обработки покрытий.

Третья глава посвящена исследованию качества интерметачлидных покрытий различными металлографическими методами. Представлены результаты исследования технологического процесса получения интерметаллидных покрытий с применением новой наплавочной головки и результаты исследования черновой и чистовой обработки интерметаллидных метачлопокрытий. Приведены результаты моделирования на ЭВМ, которые позволили получить оптимальные параметры процесса наплавки.

В результате полного факторного эксперимента получена степенная зависимость микротвердости от процентного содержания присадочной проволоки п и силы тока /:

Яц = 17500-я"2 -Г"". (1)

Анализ формулы (1) показал, что на микротвердость оказывает большое влияние процентное содержание присадочной проволоки п, а увеличение силы тока I ведет лишь к небольшому снижению микротвердости.

На графике (рис. 6) представлено влияние указанных факторов на микротвердость наплавленной поверхности заготовки.

Рис. 6. Зависимость микротвердости наплавленной поверхности от процентного содержания присадочной проволоки и и силы тока /

При увеличении скорости подачи присадочной проволоки увеличивается процентное содержание присадочных элементов в наплавочной ванне, поэтому увеличивается количество интерметаллидных соединений и, как следствие, повышается микротвердость. При увеличении силы тока увеличивается температура наплавочной ванны, в результате чего легирующие вещества, входящие в состав основной проволоки, и вещества, входящие в состав присадочной проволоки, начинают испаряться, так как их температура плавления намного ниже температуры плавления стали. Поэтому увеличение силы тока приводит к некоторому снижению микротвердости покрытий.

На основании полного факторного эксперимента для черновой и чистовой лезвийной обработки получены модели формирования шероховатости, волнистости и отклонение от крутости обработанных поверхностей с интерметаллидными покрытиями в зависимости от параметров режимов резания:

(2)

A=144,66-V-°-4,27uV'54;

WZ=21,41-V"°'147''89\j0<B5; (3)

(4)

где v - скорость резания, м/с; t - глубина резания, мм; s - подача инструмента, мм/об.

По результатам исследований и статистической обработки построены поверхности функций отклика для шероховатости, волнистости и обработанной поверхности (рис. 7-11).

Как видно из графика (рис. 7), на шероховатость наибольшее влияние оказывает подача инструмента. На графиках (рис. 8) четко прослеживается, что при увеличении скорости резания для резца, оснащенного режущим инструментом ВК8, шероховатость обработанной поверхности снижается, однако при максимальной подаче инструмента, происходит незначительной увеличение шерохова-

тости при увеличении скорости резания. На образование волнистости (рис. 9) наи> большее влияние оказывает глубина резания.

Рис. 7. Поверхности отклика при фиксированном минимальном значении скорости резания: а - при V = 5 м/мин; б - при V = 25 м/мин

-1 Л

А

Г А.,, /"* /

Рис. 8. Поверхности отклика при фиксированном максимальном значении глубины резания: а - при! = 1мм; б - при I = 0,5 мм

\ "1

Рис. 9 Поверхности отклика при фиксированном минимальном значении скорости резания: а - при V = 5 м/мин, б - при т = 25 м/мин

Рис. 10. Поверхности отклика при фиксированном минимальном значении глубины резания: а - при / = 0,5мм; б- при I = I мм

Рис. 11. Поверхности отклика при фиксированном минимальном значении глубины резания: а - при I = 0,5мм; 6 - при / = I мм

Из графиков (рис. 10) следует, что подача инструмента на образование волнистости оказывает минимальное влияние, а увеличение скорости резания для приводит к увеличению волнистости. На образование отклонения от круглости (рис. 11) наименьшее влияние оказывает подача инструмента.

Зависимости для чистовой обработки оснащенными резцами со сменными пластинами фирмы 8АКОУ1К ССЖОМАМТ имеют вид

Д = 40,62-ИД19-г,-045-/'<'5; (5)

ИЪ= П7,85-И3077и9-50'06: (6)

Да = 481,4-И-36Л''25. (7)

Результаты для чистовой обработки представлены на рис. 12, 13.

а о

Рис. 12. Поверхности отклика при чистовой обработке: а - при фиксированном минимальном значении ¡24 м/'мин; 6- при максимальном V = 198 м/мин

Рис. 13. Поверхности отклика при чистовой обработке: а - при фиксированном минимальном значении 1 = 0,2 мм; 6 - при максимальном I = 0,4 мм

Из проведенных исследований теоретически (глава 4) установлено и экспериментально подтверждено, что микротвердость интерметаллидных модифицированных покрытий пропорционально зависит от процентного содержания присадочного материала (алюминиевой проволоки), т.е. чем больше содержание алюминиевой проволоки, тем больше микротвердость и объемная твердость. Изучено влияния факторов, определяющих формирование состава и свойств полученного модифицированного слоя при наплавке под слоем флюса с подачей присадочной проволоки, изолированной от тока, что позволило выявить зависимость микротвердости от факторов эксперимента. Пользуясь этим, можно рассчитать необходимую твердость наплавленного покрытия в зависимости от значения факторов, возможно получение твердости в широких пределах - от 30 до 55 НЯС. Подбирая присадочный материал, возможно получение высоких эксплуатационных свойств.

При проведении экспериментальной проверки качества поверхности заготовок после черновой и чистовой обработке интерметаллидных покрытий предложенным способом было определено влияние параметров качества (шероховатости, волнистости и отклонение от круглости) от параметров режимов резания, что подтвердило справедливость разработанной математической модели.

Численные значения показателей степеней в формулах (2)-(4) для черной обработки и (5)-(7) для чистовой обработки, полученные в ходе экспериментальных исследований, будут использованы в экспериментально-теоретических зависимостях главы 4.

В четвертой главе представлен комплекс математических моделей и результаты моделирования процесса формирования качества поверхности (шероховатости. волнистости и отклонение от круглости) при чистовой обработке интерметаллидных покрытий в зависимости от параметров режимов резания (скорости, подачи и глубины резания).

Как показал анализ предварительных экспериментов, после наплавки предложенным способом на поверхности детали образуется модифицированный ин-терметаллидный слой. Он характеризуется сложной структурой, неоднородностью поверхностного слоя и высокой твердостью. Также выявлена склонность к наследованию параметров качества поверхности, которую необходимо учитывать при проектировании технологического процесса.

В качестве исходной схемы для расчета систематической составляющей высоты профиля шероховатости поверхности при механической обработке взята модель, разработанная А.Г. Сусловым (рис. 14). В этом случае высоту микронеровностей поверхности при токарной обработке определяют по зависимости:

& = &:, + (8) где Лг/ - составляющая профиля шероховатости, обусловленная геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента; Лг? - составляющая профиля шероховатости, обусловленная относительными колебаниями обрабатываемой поверхности и режущей кромки инструмента.

Рис. 14. Исходная схема для расчета высоты профиля шероховатости поверхности Из геометрического построения величина Лг, при лезвийной обработке:

8г

(9)

Составляющая профиля шероховатости Яг? определяется амплитудой колебаний вершины инструмента относительно обрабатываемой поверхности при его прохождении по выступу или впадине исходной шероховатости и неравномерностью твердости (по известной формуле) заготовки на различных участках обрабатываемой поверхности:

Я=, =

0,2-С,УУ»(ЯЙ1/" -НВ:т:(1 -В=ЮУ")

>

Ло

(10)

где Су - эмпирический коэффициент; уру, z,„„ п, хру - показатели степени; v - скорость резания, м/мин; s - подача, мм/об; t - глубина резания, мм; Rz„a - исходная средняя высота профиля шероховатости, мкм; НВтах, НВ„,/„-максимальное и минимальное значения твердости заготовки; jrс - жесткость технологической системы, Н/мм.

Сравнение результатов расчета по формуле (10) и экспериментальных данных по изменению шероховатости Ra в зависимости показало, что имеется значительное расхождение. Поэтому при обработке модифицированной поверхности с интерметаллидным покрытием необходима адаптация данной формулы к конкретным условиям.

На основании полученных данных выдвинута гипотеза о существенном влиянии технологической наследственности при лезвийной обработке наплавленных покрытий с интерметаллидами. Для этого предложено ввести коэффициент технологического наследования и уточнить формулу с помощью экспериментально полученных значений в главе 3.

Предложенная формула для расчета шероховатости будет иметь следующий

вид:

v = Ral+KtRa2s", (П)

где Rai - шероховатость, формируемая на данной технологической операции, Ra, - шероховатость с предшествующей технологической операции, Kj - коэффициент технологического наследования, а - показатель степени влияния подачи.

Для этого воспользуемся известной эмпирической формулой для расчета скорости резания с учетом параметров: режима обработки, геометрии инструмента и жесткости оборудования и, проведя преобразования, получим формулу для определения шероховатости:

0.2 С

Rq-

Ra

K-v ■(

А . J.

/л (50^ -о*-jt

Cr

r-l'-s"

Kr ■ (HEW)

Л.

;(12)

где Kv- коэффициент; m, хну- показатели степени; T - период стойкости инструмента, мин, v - скорость резания, м/с; г - радиус при вершине резца, мм; у - передний угол резца; а - задний угол резца.

Для практического использования формулу (12) следует упростить с учетом следующих факторов: передний угол у слабо влияет на шероховатость (показатель степени 0,005) и его можно исключить из формулы; показатели степени для 5 и t необходимо скорректировать по результатам экспериментов для интерметаллид-ных покрытий и принять равными 0,55 и 0,2 соответственно.

Окончательно после преобразований формула для расчета шероховатости интерметаллидной модифицированной поверхности будет иметь вид:

]о,2 ■ 10' ■ С, • Cv»15 ■ 15 • 2 - яс,(/ - s>

Ra =

•10'

0,2+0,12/?^/°' (13)

С ЧО-И"' ■ f1 ■ гом а"004' -усг' • 74"12 ■ S0'55

Полученная зависимость учитывает технологическую наследственность, параметры режимов резания и геометрию -инструмента, а также включает результаты экспериментальных исследований, что позволяет более точно описать процесс формирования шероховатости при обработке заготовок с интерметаллидными покрытиями.

По указанной формуле построена поверхность отклика с использованием программы MathCAD Professional (рис. 15).

ШШтах.

а 6

Рис. 15 Расчетные поверхности отклика: а - при фиксированном минимальном значении г, б- при фиксированном минимальном значении л-

Графики (рис. 14) подтверждают известные закономерности: уменьшение подачи и глубины резания, а также увеличение скорости резания приводят к уменьшению шероховатости обработанной поверхности, так же на это влияет. Анализ поверхности на рис. 15 а показывает, что на образование шероховатости наибольшее влияние оказывает подача инструмента, что подтверждается литературными источниками.

В общем случае на образование волнистости поверхностей деталей машин при механических методах обработки влияет исходное состояние поверхностного

слоя обрабатываемой заготовки, С учетом разности сил. действующих на инструмент, вызываемой разнородностью состояния поверхностного слоя заготовки и динамикой процесса, волнистость в продольном направлении может быть определена по формуле А. Г. Суслова:

_ С/V* (А-¿С/"' - - м^о, - Л«,)*»)

IV:--

Лс

(И)

где 1Угиа— исходная высота волн, мкм.

Проведя преобразования формулы (14), аналогичные тем, которые были выполнены для шероховатости, получим уточненную формулу для определения волнистости:

'-тЧ е..

' (ЯВ"/1* - - №г„ - &„и) " )

]к/"> ■1К> у!"' -А"*' ■(50+у)1с, у:к'-а*'-"""- ' (15)

Макро- и микроотклонения поверхности при механических методах обработки определяется четырьмя факторами:

1) геометрической неточностью станка;

2) разностью упругих деформаций технологической системы при обработке поверхности;

3) температурными деформациями технологической системы в процессе обработки поверхности;

4) износом режущего инструмента при обработке поверхности. Комплексный показатель формы поверхности - отклонение от крутости -

формируется геометрическим сложением этих составляющих:

1000 48-Я-У Г

1000 *

(16)

где § - непараллельность направляющих относительно оси центров на длине 1000 мм, мм; /2 - длина обрабатываемой поверхности, мм; Ру- радиальная составляющая сила резания, Н; Е- модуль упругости обрабатываемого материала, МПа; 3-момент инерции сечения детали (0,05с/), мм2; х— расстояние от переднего центра до рассматриваемого сечения, мм; с - коэффициент (с =4,5); I,- вылет резца, мм; /г- площадь поперечного сечения резца, мм2; а„— предел прочности обрабатываемого материала, МПа; но- величина относительного износа инструмента, мкм/км; Ьр- длина пути резания, м.

В итоге получаем комплекс моделей для расчета параметров точности поверхности наплавленных покрытий с интерметаллидами:

Дсг=

;р.2-И/ с; СУ-' Ку '-(НЦ;У-"-№%(/-я^/') 52

0.584--1--- I М

^ С4'6' 60- V4'-'87 ■ ■ '•"-05 • а"0'"4' • У°г • Т"2 ■ У 8 •

0,2+0,Ша,/-'

\ *Ь*И ■ .(5 0+гГ-"'1* ■ак"'"к1 -/.у" 1000 4^ * 1000

Представленный комплекс моделей (17) позволяет оценить геометрические параметры качества обработанных модифицированных интерметаллидных покрытий и подобрать параметры режимов обработки, обеспечивающие заданные значения параметров качества обработанной поверхности.

Пятая глава посвящена технико-экономическому анализу разработанных технологических решений и результатам практической реализации предложенного способа обработки интерметаллидных модифицированных покрытий сменными пластинами из твердого сплава с включением кубического нитрида бора.

Для решения задачи оптимизации параметров режимов резания при чистовой обработке применен метод линейного программирования. В качестве критерия оптимальности выбранамаксимальная производительность, задаваемая машинным временем. Уравнение машинного времени за единицу длины резания равно:

/ = —, (18) nst

где С - постоянный коэффициент, который определяется по формуле

с =/„•//; (19)

где 1Р„ — длина резания, мм; п - частота вращения заготовки, мин"'; П- припуск на обработку, мм.

На основании неравенств, технических ограничений и уравнения (19) определен оптимальный режим обработки:

V = е*'°~" = 150,2м/ мин; t = е"~ = 0,31 мм; j = = 0,01мм / об.

Представлен технико-экономический анализ разработанных технологических решений и практической реализации предложенной технологии получения и обработки, наплавочных интерметаллидных модифицированных покрытий на примере нанесения покрытия на поверхность первичного вала коробки скоростей горизонтально-расточного станка Tos Varnsdorf WH 10 CNC (рис. 16).

Рис 16. Первичный вал коробки скоростей горизонтально-расточного станка Tos Varnsdorf WH 10 CNC

Произведен расчет себестоимости технологического способа восстановления первичного вала коробки скоростей горизонтально-расточного станка Tos Varnsdorf WH 10 CNC, а также проведены исследования существующих способов восстановления. В настоящее время данную деталь можно восстанавливать наплавкой (с использованием одной проволоки) с последующим упрочнением рабочей поверхности либо закалкой ТВЧ, либо гальваническим хромированием. Стоимость наплавки составляет не более 25% от стоимости новой детали, однако на упрочнение рабочей поверхности закалкой ТВЧ необходимо затратить еще 60% от

стоимости новой детали. Следует учесть, что закалка ТВЧ представляет собой трудоемкий и длительный процесс и выгодна лишь в крупносерийном производстве. В результате чего на восстановление одной детали необходимо затратить около 85% от стоимости новой делали. Однако в качестве поверхностного упрочнения можно так же применить гальваническое хромирование, которое составит 45% от стоимости новой детали. Также к существенным недостаткам данного технологического способа следует отнести длительность процесса.

После сравнения стоимости существующих технологических процессов восстановления выбранной детали и стоимости предложенного технологического процесса восстановления выявлено, что предложенный технологический процесс экономически выгоднее способа с применением закалки ТВЧ более чем в 1,3 раза при получении одинаковой твердости рабочей поверхности. В результате использования при ремонте восстановленной детали вместо новой, данный способ позволяет получить экономию средств более чем в 3 раза.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Решена актуальная прикладная задача, заключающаяся в обеспечение требуемых параметров поверхностных слоев заготовок при механической обработке модифицированных наплавочных покрытий с изменяемыми свойствами на основе научно обоснованного выбора инструмента и оптимальных режимов резания.

2. Разработанная феноменологическая модель формирования физико-механических свойств наплавленного слоя позволяет объяснить зависимость микротвердости от режимов наплавки. Экспериментально подтверждена возможность получения твердости наплавленного покрытия в пределах от 30 до 55 НРС.

3. Разработана наплавочная головка по патенту РФ № 249484 и проведена экспериментальная проверка эффективности разработанного способа и устройства наплавки под слоем флюса с дополнительным заземленным электродом. Подтверждена справедливость разработанной феноменологической модели влияния режимов подачи, силы тока и содержания присадочного материала проволоки на физико-механические свойства наплавленного слоя.

4. Создано методическое обеспечение для технологического процесса нанесения интерметаллидных покрытий и последующей лезвийной обработки. Доказано, что технологический процесс нанесения интерметаллидных покрытий обеспечивает требуемые параметры поверхностных слоев заготовок и позволяет отказаться от операций термической обработки и некоторых финишных операций.

5. Разработанный комплекс моделей образования геометрической точности (шероховатости, волнистости и отклонение от круглости) поверхностного слоя заготовок, модифицированных наплавкой и обработанных лезвийным инструментом, в зависимости от параметров режимов резания позволил уточнить теоретические зависимости и дополнительно учесть технологическую наследственность.

6. При обработке найдены следующие оптимальные режимы финишной обработки модифицированных интерметаллидных покрытий инструментом с пластинами фирмы 5А^У1К СОЛОМАМТ СВ-7015: V = 150,1 м/мин, ? = 0,2 мм, £ = 0,08 мм/об. Достигнутые показатели качества: шероховатость Ля = 0,7 мкм, волнистость IV: = 1,9 мкм, отклонение от круглости А - 3 мкм.

7. На основе результатов исследований даны практические рекомендации по использованию предложенного способа наплавки с технико-экономической оценкой эффективности его внедрения в производство. За счет сокращения операций

18

упрочнения предложенный способ экономически выгоднее способа с применением закаливания ТВЧ или с применением гальванического хромирования более чем в 1,3 раза при получении одинаковой твердости рабочей поверхности. В результате использования при ремонте восстановленной детали вместо новой, разработанная технология позволяет получить экономию средств более чем в 3 раза.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи е изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Макеев Д.Н. Методика экспериментальных исследований получения и обработки покрытий с интерметаллидами / Д.Н. Макеев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 58. С. 83-87.

2. Макеев Д.Н. Повышение ресурса деталей,восстановленных наплавкой с применением интерметаллидов / А.Н. Виноградов, М.А. Лутахов, Д.Н. Макеев // Тяжелое машиностроение. 2012. №1. С. 20-23.

Патент

3. Патент КЬ: № 2494843 МПК В23К9/04. Наплавочная головка /А.Н. Виноградов, Д.Н. Макеев, М.А. *Лутахов. Опубл. 10.10.2013.

Статьи в других изданиях

4. Макеев Д.Н. Оценка содержания легирующих элементов в наплавленных интерметаллических покрытиях методом ВИИЭ / Д.Н. Макеев // Современная российская наука глазами молодых исследователей. Красноярск: Научно-Инновационный центр. 2012. Т. 2. С.139-146.

5. Макеев Д.Н. Экспериментальные исследования наплавленного слоя при подаче дополнительной заземленной присадочной проволоки / А.Н. Виноградов,

B.В. Мешков, Д.Н. Макеев // Развитие транспорта в регионах России: проблемы и перспективы. Киров, 2012. С. 38-44.

6. Макеев Д.Н. Анализ методов восстановления наплавкой изношенных автомобильных деталей/ А.Н. Виноградов, М.А. Лутахов, Д.Н. Макеев // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин:сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С. 44-51.

7. Макеев Д.Н. Устройство для наплавки деталей под слоем флюса с получением заданных физико-механических параметров поверхностного слоя / А.Н. Виноградов, М.А. Лутахов, Д.Н. Макеев // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машинхб. науч. тр. / Саратов: СГТУ, 2010.

C. 104-108.

8. Макеев Д.Н. Повышение качества наплавочных покрытий за счет рационального использования интерметаллидов / А.Н. Виноградов, Д.Н. Макеев // Математические методы в технике и технологиях: материалы Междунар. конф. Саратов: СГТУ, 2012. С. 112-114.

9. Макеев Д.Н. Оптимизация элементов режима резания при чистовом точении заготовок с интерметаллидными покрытиями / Д.Н. Макеев, А.Н. Виноградов, О.В. Захаров // Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности: материалы Междунар. конф. Тамбов, 2014. Ч. 5. С. 72-73.

10. Макеев Д.Н. Технологическое обеспечение качества поверхности с наплавленными интерметачлидными покрытиями / А.Н. Виноградов, О.В. Захаров, Д.Н. Макеев // Инжиниринг Техно: сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. Саратов: Издательский дом «Райт-Экспо», 2014. Т. 1. С. 154-159.

11. Макеев Д.Н. Восстановление ресурса деталей машин путем наплавки поверхностных слоев / Д.Н. Макеев, О.В. Захаров, А.Н. Виноградов // Материалы региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 70-летию инженерного института (мехфака) НГАУ. Новосибирск: НГАУ,

2014. С. 30-33.

Подписано в печать 09.02.14 Бум.офсет. Тираж 100 экз.

Усл. печ. л. 1,0 Заказ 16

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@ssui.ru