автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности восстановления цилиндрических деталей машин на базе комбинированных методов обработки

На правах рукописи

005535454

Санамян Георгий Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА БАЗЕ КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.02.08 - «Технология машиностроения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

Ростов-на-Дону - 2013

005535454

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

Научный руководитель: доктор технически^ наук, профессор,

заведующий кафедрой «Эксплуатация и ремонт машин» ФГБОУ ВПО РГУПС Бойко Н.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО ДГТУ Тамаркин М.А.

кандидат технических наук, заместитель генерального директора ОАО «Роствертол» по производству Чучукалов А.П.

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО Южно-Российский

государственный политехнический университет имени М.И. Платова (ЮРГПУ (НПИ), г. Новочеркасск)

Защита состоится 12 ноября 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.02 в ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» по адресу: 344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ДГТУ.

Автореферат разослан 11 октября 2013 г.

Учёный секретарь //

диссертационного совета ( В.Э. Бурлакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Современное ремонтное производство по своей мощности, функциям и задачам является крупной отраслью чациональной экономики, которое, по сути, ■ осуществляет вторичное производство машин. Главная задача ремонтного производства заключается в экономически эффективном восстановлении работоспособности машин.

Одним из направлений решения этой задачи является восстановление изношенных деталей. Обусловлено это тем, что большинство деталей, поступающих в ремонт выбраковываются вследствие износа рабочих поверхностей, хотя более 60 % из них имеют значительный остаточный ресурс долговечности по прочности и могут быть использованы повторно при восстановлении изношенных поверхностей.

Анализ современной научно-технической литературы показывает, что обоснованный процесс восстановления изношенных деталей в системе вторичного производства является природоохранным ресурсосберегающим производством, обеспечивающим получение деталей со свойствами близкими к свойствам новых деталей или превосходящими их. Наработка таких деталей соответствует, а в ряде случаев превосходит нормативную наработку новых деталей.

На практике, в большинстве случаев послеремонтная наработка значительной части материало- и энергоемких в изготовлении деталей подвижного состава железнодорожного транспорта после их восстановления в 1,5...2,5 раза уступает наработке новых деталей. Так, например, используемая на Ростовском электровозоремонтном заводе (РЭРЗ) отраслевая технология восстановления деталей ходовой части подвижного состава гарантирует наработку восстановленных деталей электровозов 500 ООО км. Регламентируемая системой ТО и Р наработка до среднего ремонта составляет 800 000 км. В связи с чем, значительная часть восстановленных деталей достигает предельно допустимого износа раньше, чем электровозы поступают на средний ремонт. Анализ сложившейся ситуации показывает, что в основе таких показателей лежит необоснованно низкий как в количественном, так и в качественном отношении уровень оснащенности (15...20 % по сравнению с предприятиями по производству новых машин) ремонтно-восстановительного производства современными технологиями и средствами их оснащения. Имеющиеся научные сведения свидетельствуют о том, что низкий уровень ремонта машин, в том числе и восстановления их деталей не является коренным пороком ремонта, а является лишь результатом укоренившихся недостатков в развитии ремонтных технологии и организации ремонтного производства.

Исходя из вышеизложенного, можно констатировать, что важнейшей задачей современного ремонтного производства является создание, освоение и внедрение в производство новой высокоэффективной технологии, обеспечивающей рост производительности труда, качества выполняемых работ,

снижение материале- и энергоемкости операций восстановления изношенных деталей.

Актуальность решения поставленной задачи обусловлена с одной стороны практической значимостью и перспективностью восстановления изношенных деталей машин, с другой стороны недостаточным уровнем развита.' восстановительных технологий. Решение сформулированной задачи неразрывно связано с совершенствованием известных и разработкой новых ресурсосберегающих технологий восстановления изношенных деталей, основанных на комбинированном тепловом и механическом воздействии на материал детали путем совмещения в единой технологической операции этапов наплавки и термомеханической обработки наплавленного металла.

Степень разработанности проблемы.

Изучению процессов восстановления изношенных деталей при комбинированном тепловом и механическом воздействии на материал детали посвящены работы Н.И. Бойко, Э.Л. Левина, Ю.И. Бабенкова, А.Е. Хачкинаяна, В.Е. Зиновьева, В.В. Колякина, и др.

Анализ работ вышеуказанных авторов, выполнение которых позволило методу комбинированного теплового и механического воздействия на поверхность обрабатываемой детали, основанного на совмещении этапов наплавки и механической обработки горячего наплавленного металла, занять важное место среди современных методов восстановления деталей показало, что в выполненных работах исследование технологической схемы совмещающей наплавку, механическую лезвийную и отделочно-упрочняющую обработку 1111Д горячего наплавленного металла носит предварительный проверочный характер, а модели, принятые при теоретических исследованиях сил резания не учитывают геометрию срезаемого поверхностного слоя. Полученные результаты и имеющиеся сведения не достаточны для разработки эффективных технологических процессов и средств их оснащения. Широкое внедрение в производство такого комбинированного метода восстановления деталей все еще сдерживается недостаточной изученностью процесса, отсутствием работ, раскрывающих его особенности и технологические возможности, хотя здесь заложены значительные резервы повышения эффективности восстановления изношенных деталей. Это в свою очередь ставит задачу дальнейших всесторонних исследований по раскрытию особенностей процесса, его закономерностей и технологических возможностей, разработки научно-обоснованных рекомендаций по выбору рациональных режимов^! условий реализации процесса.

Цель работы:

Повышение эффективности восстановления цилиндрических деталей за счет разработки малооперационной ресурсосберегающей технологии путем совмещения в единой технологической операции процессов наплавки, механической лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки ППД наплавленного металла.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

1) Обоснование структурно-кинематической схемы технологической системы, обеспечивающей совмещение в единой технологической операции процессов наплавки, -механической лезвийной и отделочно-упрочнякнгей обработки роликом наплавленного металла.

2) Разработка математической модели расчета силы резания при термофрезеровании цилиндрической детали, учитывающей геометрию поверхности наплавленного компенсационного слоя.

3) Экспериментальные исследования силы резания и износа инструмента при фрезеровании наплавленного металла. Разработка математических моделей силы резания и периода стойкости инструмента в зависимости от режимов резания при обработке горячего наплавленного металла.

4) Исследование влияния режимов механической обработки на шероховатость поверхности и погрешность некруглости формы восстановленной детали, микроструктуру и износостойкость восстановленной поверхности

5) Разработка методики автоматизированного выбора рациональных режимов обработки и характеристик режущего инструмента при термофрезеровании наплавленного металла, обеспечивающих минимальную энергоемкость процесса. Разработка методики автоматизированного расчета сил резания и периода стойкости режущего инструмента при фрезеровании горячего наплавленного металла.

6) Технико-экономическое обоснование целесообразности восстановления изношенных деталей подвижного состава рассматриваемым комбинированным методом. Разработка научно обоснованных рекомендаций по проектированию и практическому применению малооперационной ресурсосберегающей технологии при восстановлении изношенных цилиндрических деталей.

7) Разработка и внедрение в производственный процесс Ростовского электровозоремонтного завода рекомендаций по совершенствованию технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей ходовой части подвижного состава, гарантирующей требуемый системой технического обслуживания и ремонта межремонтный ресурс восстановленных деталей.

Предмет исследования - повышение эффективности восстановления изношенных цилиндрических деталей, снижение требуемых материальных и энергетических ресурсов за счет совмещения в единой технологической операции этапов создания ремонтной заготовки, ее механической лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием.

Объект исследования - технологический процесс восстановления изношенных цилиндрических деталей, совмещающий в единой технологической операции процессы автоматической электродуговой наплавки, фрезерования и отделочно-упрочняющей обработки поверхностным

пластическим деформированием накатным роликом горячего наплавленного металла.

Методологической базой исследования являются известные подходы и методы, применяемые для проведения исследований в области технологии машиностроения: расчетно-аналитические, статистические, металлографические и др.

Теоретической базой исследования являются теоретические основы технологии машиностроения, обработки металлов резанием, упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием и технологии сварочного производства.

Эмпирическая база исследований - использование современных методов исследования процессов наплавки, термофрезерования и термообкатки наплавленного металла, качества обработанной поверхности и стойкости режущего инструмента.

Научные результаты, выносимые на защиту:

> Теоретико-экспериментальная математическая модель расчета усилия фрезерования горячего наплавленного металла, учитывающая геометрию поверхностного слоя обрабатываемой детали.

> Эмпирические математические модели расчета стойкости фрезы и усилия фрезерования в зависимости от режимов резания горячего наплавленного металла с учетом критерия затупления зубьев фрезы, равного 0,5 мм.

> Закономерности влияния основных технологических факторов процессов терморезания и термообкатки роликом наплавленного металла на качество и износостойкость поверхностного слоя восстанавливаемых деталей машин.

> Методика автоматизированного выбора рациональных режимов обработки и характеристик режущего инструмента, методика автоматизированного расчёта усилия резания и стойкости фрезы при термофрезеровании наплавленного металла.

Научная новизна результатов исследования заключается в разработке расчетно-аналитической зависимости усилия резания от режимов термофрезерования и геометрии обрабатываемой поверхности при восстановлении деталей; раскрытии закономерности влияния режимов термомеханической обработки на шероховатость поверхности, микроструктуру наплавленного металла и износостойкость восстановленной детали и влияния режимов терморезания на стойкость фрезы; разработке методики автоматизированного выбора рациональных режимов обработки и характеристик режущего инструмента, расчета стойкости фрезы и усилия резания при обработке горячего наплавленного металла.

Теоретическая и практическая значимость работы. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методика автоматизированного выбора рациональных режимов обработки и характеристик режущего инструмента при термофрезеровании наплавленного металла, методика расчёта стойкости фрезы и усилия резания. Даны рекомендации по разработке ресурсосберегающей

технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей, основанной на комбинированном тепловом и механическом воздействии на обрабатываемую поверхность.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

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

— Технологические процессы операции, установы, позиции, технологические переходы и рабочие хода, обеспечивающие повышение качества изделий и снижение их себестоимости;

— Совершенствование существующих и разработка новых методов обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска;

— Технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин.

Апробация работы и реализация результатов диссертации.

Основные положения диссертации доложены на 10-й и 11-й Международных практических конференциях «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (г. Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2008, 2009 гг.); 15-й Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии - Технология-2012» (г. Орел, Госуниверситет-УНПК, 2012 г.), Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Подвижной состав XXI века» (г. Хабаровск, ДВГУПС, 2008 г.); Всероссийских научно-практических конференциях «Траспорт-2007», «Транспорт-2008», «Транспорт-2009», «Транспорт-2010», «Транспорт-2011», «Транспорт-2012», «Транспорт-2013» (г. Ростов н/Д, РГУПС, 2007-2013 гг.).

Научные разработки, выполненные при дипломном проектировании по теме диссертации, отмечены благодарственным письмом от президента РАН академика В.Е. Фортова.

Разработаны и внедрены в производственный процесс Ростовского-на-Дону электровозоремонтного завода рекомендации по совершенствованию технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей ходовой части подвижного состава, гарантирующие требуемый системой технического обслуживания и ремонта межремонтный ресурс восстановленных деталей. Ожидаемый экономический эффект от реализации такой технологии на годовую программу восстановления деталей электровозов составляет 1,177 млн. рублей.

Достоверность и обоснованность предложенных теоретических решений, а также эффективность практических рекомендаций подтверждены промышленными испытаниями.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 25 печатных работ, в том числе одна монография и четыре статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 150 наименованиГ', приложения. Работа содержит 207 страниц машинописного текста, 21 таблицу, 83 рисунка, 2 приложения.

Личный вклад автора.

Все основные научные положения и результаты исследований, составившие содержание диссертационной работы и определившие теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение повышения эффективности восстановления изношенных цилиндрических деталей за счет совмещения в единой технологической операции этапов создания ремонтной заготовки, ее механической лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки ППД, получены автором лично. Экспериментальная проверка полученных в диссертации зависимостей, положений и принципов осуществлялась либо автором самостоятельно, либо при его непосредственном участии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность рассматриваемых в диссертации задач, применения и совершенствования технологии восстановления деталей подвижного состава железнодорожного транспорта комбинированными методами обработки.

В первой главе проведен анализ износа поступающих в ремонт на РЭРЗ и ряд мотор-вагонных и локомотивных депо РЖД деталей ходовой части подвижного состава. На основе полученных сведений в качестве объекта восстановления были приняты цилиндрические детали диаметром 50 мм и более с износом до 2 мм. Приведены сведения относительно состояния и перспектив развития технологии восстановления выделенной группы деталей. Показан необоснованно низкий, как в качественном, так и количественном отношении уровень оснащенности ремонтного производства высокоэффективными технологическими процессами и средствами их оснащения. В сложившейся практике на большинстве ремонтных предприятий РЖД наплавленный металл по отраслевой технологии обрабатывают, в основном, шлифованием, что при больших припусках на обработку является мало производительным, трудоемким процессом, требующим значительного расхода шлифовальных кругов. В ряде случаев с целью исключения чернового шлифования производят термическую обработку (отжиг или нормализация) деталей после наплавки, что позволяет выполнять предварительную обработку наплавленных поверхностей лезвийным инструментом, но для получения необходимой твердости требует введения дополнительной операции закалки. Многооперационность технологии, использование малопроизводительных энергоемких операций требует создания участков со значительным количеством дорогостоящего оборудования, увеличивает длительность

технологического цикла, снижает экономическую целесообразность восстановления деталей. В связи с этим, особую актуальность приобретают задачи повышения производительности операций механической обработки наплавленного слоя, снижения их энерго и ресурсоемкости.

Дан обзор и анализ современных методов нанесения компенсационных износостойких покрытий, их механической обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием.

На базе анализа структуры рассмотренных операций установлена физическая возможность и организационно-экономическая целесообразность объединения электродуговой наплавки под слоем флюса, механической обработки наплавленного слоя торцевым фрезерованием, ее отделочно-упрочняющей обработки ППД обкаткой роликом в единую технологическую операцию (рис. 1). Показано, что такое комбинирование методов обработки будет способствовать повышению производительности процесса восстановления деталей, позволит улучшить качество формирующегося поверхностного слоя за счет комплексного термического и механического воздействия на обрабатываемую поверхность. Кроме того, совмещение указанных процессов в единой технологической операции позволит существенно сократить длительность технологического цикла, снизить удельные расходы производственных ресурсов и повысить конкурентоспособность ремонтного производства.

Проведен анализ'результатов работ, посвященных изучению процессов восстановления изношенных цилиндрических деталей при комбинированном тепловом и механическом воздействии на материал детали. Установлено, что в существующих работах, важное место среди которых занимают работы Н.И. Бойко и Э.Л. Мархасина, теоретические модели, принятые при исследовании сил резания не учитывают геометрию срезаемого наплавленного слоя, в связи с чем полученные уравнения описывают процесс фрезерования гладкой цилиндрической поверхности и дают завышенные значения сил резания, что затрудняет выбор рациональных условий обработки.

Рис. 1 - Технологическая схема наплавки детали с одновременным фрезерованием и накаткой роликом горячего наплавленного металла: 1 - деталь, 2 - наплавленный валик, 3 — торцевая фреза, 4 - флюсопровод, 5 - мундштук, 6 - шлако-удаляющее устройство, 7 — ролик, 8 - шлаковая корка

Отмечается также, что в выполненных работах исследование технологической схемы, совмещающей наплавку, механическую лезвийную и отделочно-упрочняющую обработку ППД горячего наплавленного металла носит предварительный проверочный характер. Полученные результаты и имеющиеся сведения не достаточны для разработки эффективных технологических процессов и средств их оснащения. Важной особенностью данного метода является существенное изменение оптимальных режимов реализации совмещаемых технологических операций из-за ограничений, накладываемых на них условиями комбинирования. Внедрение в производство такого комбинированного метода восстановления деталей сдерживается недостаточной изученностью процесса, отсутствием работ, раскрывающих его особенности и технологические возможности. На этой основе в качестве объекта исследований выделен комбинированный метод восстановления цилиндрических деталей, совмещающий в единой технологической операции процессы наплавки, механической лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки ППД наплавленного металла обкаткой роликом, сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе для разработки более полной (точной) математической модели расчета сил резания при фрезеровании горячего наплавленного металла проведен анализ работ, посвященных изучению геометрии наплавленного валика и формирующегося поверхностного слоя при автоматической электродуговой наплавке цилиндрических деталей под слоем флюса. Установлено, что в диапазоне наиболее часто используемых режимов наплавки единичный наплавленный валик представляет собой узкую винтовую полосу, форма поперечного сечения которой приближается к круговому сегменту. Геометрия формирующейся поверхности при наложении отдельных валиков может быть моделирована как винтовая поверхность с шагом выступов, равном подаче наплавки и имеющих в поперченном сечении форму кругового сегмента высотой 0,5...0,9 мм.

Показано, что механическая обработка таких деталей связана со значительными трудностями, обусловленными спецификой свойств наплавленного металла и геометрии его поверхности.

Аналитические исследования сил резания выполнены с учетом зависимости силы резания от площади сечения срезаемой стружки и предела прочности обрабатываемого материала, предложенной проф. В.Н. Кривоуховым и зависимости предела прочности используемых наплавочных материалов от температуры терморезания, установленной проф. Н.И. Бойко. Показано доминирующее влияние температуры нагрева металла на силу резания и стойкость инструмента. На основе результатов указанных исследований при разработке математической модели расчета усилия терморезания в качестве базового принято уравнение:

(1)

где максимальная площадь сечения снимаемой стружки, мм2;

К — корректировочный коэффициент;

с, (Л - предел прочности металла при заданной температуре Т °С, МПа;

а, =к„ ехр[1,6968С -(0,005008С3 - 0.008563С2 + 0,005124С + 0,0025)г], где С - содержание углерода в наплавленном металле, %; т - температура наплавленного металла, °С кв - корректировочный коэффициент, МПа.

Показано, что разработка достоверной математической мод"ели расчета усилия резания при термофрезеровании наплавленных цилиндрических деталей напрямую связана с точностью установления зависимости максимальной площади сечения срезаемой стружки с кинематикой процесса резания, режимами обработки, конструктивными параметрами инструмента, диаметром и геометрией поверхностного слоя обрабатываемой детали.

Схема образования сечения стружки при обработке наплавленного металла детали торцевой фрезой представлена на рис. 2.

Рис. 2 - Схема образования торцевого сечения стружки при обработке наплавленного металла детали торцевой фрезой: а - последовательность образования стружек; б - геометрия одной стружки. Заштрихованные площадки -площадки стружек, снимаемых последующими зубьями фрезы. 1 - фреза, 2 -деталь, 3 - снимаемый фрезой слой наплавленного металла

На основании выполненных исследований получена математическая модель определения максимальной площади сечения снимаемой стружки при фрезеровании наплавленного металла:

_ я(В1+Н2в)г

=—' „■>—агсвт 720/7

щ+н:

---Vятах-^Д5! +Н« ~Не<*тт)

где атах - максимальная толщина срезаемой струл<ки, мм; Не - высота выступов наплавленных валиков, мм;

- половина ширины выступа наплавленного валика, мм.

Максимальная толщина срезаемой стружки определяется по зависимости:

2 к ■ п.

2Ш,1Ф

где ( - глубина резания, мм;

пд - частота вращения детали, мин4; Пф - частота вращения фрезы, мин""1; 2 — количество зубьев фрезы, шт; Я,, - радиус наплавленной детали, мм.

Учитывая сложности, связанные с теоретическими исследованиями по установлению значений коэффициента К, входящего в уравнение для расчета силы резания, его значения определялись путем сопоставления расчетных величин сил резания .с экспериментальными. Математическая обработка полученных результатов показала, что расчет значений коэффициента К может быть произведен по формуле:

ЛГ(?) = 491,б7е~°'318' (3)

На основе выполненных исследований получена математическая модель расчета усилия резания при обработке горячего наплавленного металла с учетом геометрии фрезеруемой поверхности:

я- (2?,2 +НУ „

Р2 = 491,67е

720Н:

+Н2а -нват%)

4(Д,2 +Н1 -2Неа„ Н1

Полученная

(7

+Н1 -Н

(4)

математическая модель позволяет прогнозировать необходимую силу резания при обработке горячего наплавленного металла с достаточной для практики точностью. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 10 %.

Методом математического планирования эксперимента, с учетом критерия затупления зубьев фрезы, равного 0,5 мм, получена эмпирическая формула зависимости стойкости фрезы от режимов обработки горячего наплавленного металла:

136626

V

1,411 г.0,404 ,1,058

(5)

где

5г - подача на зуб, мм/зуб; V— скорость резания, м/мин;

Графики зависимости стойкости фрезы от режимов обработки представлены на рис. 3, 4. Для визуального отображения точности полученной модели построены доверительные шггервалы (часть представлена на рис. 5, 6).

Рис. 3 - График зависимости Рис. 4 - График зависимости

стойкости фрезы от подачи на зуб стойкости фрезы от подачи на зуб и глубины резания и скорости резания

Рис. 5 - Зависимость стойкости Рис. 6 - Зависимость стойкости

фрезы от подачи на зуб фрезы от скорости резания

0,103 0.135 0,168

Подача на эуо фрезы мы

180 220 260 Скорость резанпя V, м мин

Выполнены исследования сил резания с применением математического планирования эксперимента. Получена эмпирическая формула усилия фрезерования горячего наплавленного металла в зависимости от режимов резания:

1ПИОС с0,864 ,.0,558

= 392385- л -I__(6)

г р-1.434

Графики зависимости усилия резания от режимов обработки представлены на рис. 7, 8. Для визуального отображения точности полученной эмпирической модели были построены доверительные интервалы (рис. 9, 10). Заданная точность обеспечивается с доверительной вероятностью 0,9.

Рис. 9 - Зависимость усилия Рис. 10 - Зависимость усилия

резания от глубины фрезерования резания от скорости фрезерования

В третьей главе представлены сведения об оборудовании, инструменте и наплавочных материалах, использованных при экспериментальных исследованиях.

Наплавка, фрезерование и обкатка наплавленного металла выполнялись на установке, содержащей токарно-винторезный станок модели 16К20, сварочный преобразователь и универсальную наплавочную головку ГМВК-2У, суппорта наплавочной, фрезерной и накатной головок. Снижение частоты вращения обрабатываемой детали до 0,5...30 мин"1 осуществлялось посредством червячного редуктора, включенного в кинематическую цепь привода шпинделя станка. Вращение фрезы производилось автономным приводом, установленным на суппорте фрезерной головки.

Рис. 7 - График зависимости усилия резания от продольной подачи фрезерования и скорости резания

Рис. 8 - График зависимости усилия резания от скорости резания и глубины резания

по!-!____

0.2 0,4 0.6 О.Э I 1.1

Глубина резания 1. ьш

Скорость реаання V, ьь'мнк

Фрезерование осуществлялось универсальной торцевой фрезой с механических креплением пластин и регулируемыми геометрическими параметрами режущей части. В качестве режущей части фрезы применялись стандартные пятигранные твердосплавные пластины.

Накатка производилась роликами из сталей ШХ15, У10, У12 с цилиндрическим пояском и тороидальной заходной частью. Использовались ролики диаметром 100, 120, 150 мм, шириной цилиндрического пояска 4,5 мм, шероховатостью поверхности Ra 0,16 мкм, твердостью HRC 60...65. Радиальное биение роликов в державке накатного устройства ограничивалось 0,03 мм. Выбор роликов указанной конструкции обусловлен возможностью работы с большими подачами и обеспечения более высокого класса шероховатости обрабатываемой поверхности.

Исследования выполнены с использованием наплавочных проволок марки СВ-08А, СВ-08Г2С, НП-ЗОХГСА, пружинной проволоки 2-го класса. В качестве флюсов применяли флюс АН-348А и флюс АН-348А с легирующими добавками. При выборе наплавочных материалов для экспериментальных исследований принималось во внимание проверка универсальности аналитических зависимостей, полученных при теоретических исследованиях и возможность практического применения результатов исследований при восстановлении деталей подвижного состава железнодорожного транспорта, в том числе деталей номенклатуры РЭРЗ.

Специальные и частные методики исследований изложены в соответствующих разделах работы.

В четвёртой главе изложены результаты экспериментальных исследований сил резания и стойкости фрезы при обработке наплавленного металла. Представлены результаты исследований влияния режимов фрезерования и упрочняюще-сглаживающей обкатки роликом на качество поверхностного слоя и износостойкость восстанавливаемых деталей машин.

Замеры сил резания осуществлялись посредством тензометрических датчиков сопротивления, наклеенных на державку фрезы. Сигналы от датчиков усиливались и регистрировались осциллографом. Величина радиальных и касательных составляющих силы резания определялись по тарировочным графикам. Полученные результаты представлены в виде эмпирической формулы и графических зависимостей силы резания от режимов обработки, диаграмм касательных, радиальных и равнодействующих сил резания при фрезеровании наплавленного металла в процессе его нанесения и в холодном состоянии. Анализ результатов замеров сил резания при фрезеровании различных материалов показал высокую эффективность обработки наплавленного металла в процессе его нанесения, проявляется это в значительном в 2...3 и более раза снижении сил резания. Так при фрезеровании компенсационного слоя, полученного из пружинной проволоки 2-го класса под легирующим флюсом соотношение сил резания в холодном и горячем состоянии при глубине резания 0,3, 0,5, 0,7 мм составило соответственно 2,2, 2,8, 3,1 раз. Отмечается, что наблюдаемая закономерность хорошо согласуется с результатами работ других авторов, полученными при изучении процессов

терморезания, что подтверждает правильность принятой методики исследования и достоверность полученных результатов.

Из сопоставления расчетных и экспериментальных значений сил резания и математической обработки полученных данных установлено, что лучшая их сходимость достигается при определении численного значения корректировочного коэффициента К, введенного в теоретическую зависимость (1) из уравнения (3).

Произведены замеры сил резания в соответствии с матрицей планирования эксперимента, математическая обработки полученных результатов позволила получить эмпирическую математическую модель для расчета сил резания в зависимости от режимов фрезерования наплавленного металла в процессе его нанесения. Модель позволяет прогнозировать необходимую силу резания с достаточной для практики точностью. Расхождения расчетных и экспериментальных данных не превышает 10 %.

Исследовано влияние режимов механической обработки на шероховатость и погрешность некруглости формы восстановленной детали при различных вариантах сочетания процессов наплавки, фрезерования и обкатки роликом наплавленного металла. Замеры шероховатости осуществлялись профилограф-профилометром модели 201, двойным микроскопом МИС-11. Погрешность некруглости и шероховатость по окружности определялись прибором модели 218. Полученные результаты представлены в виде графических зависимостей и диаграмм.

Анализ результатов экспериментов показал, что наплавленная поверхность имеет глубокие впадины и выступы величиной 0,5...0,9 мм, шероховатость поверхности которых характеризуется значением Я7 = 250...350 мкм. Лучшие показатели наблюдаются при наплавке под легирующим флюсом. Изучение полученных зависимостей показало, что качественная картина влияния режимов механической обработки (фрезерования, обкатки) на шероховатость поверхности и погрешность некруглости формы при обработке в горячем и холодном состоянии во многом совпадает. Отмечается большее (как правило, в пределах одного класса) снижение высоты микронеровностей при обработке горячего металла.

Обобщенный анализ результатов экспериментов позволил установить, что технологические схемы восстановления цилиндрических деталей, включающие в себя наплавку и обкатку, наплавку и термофрезерование, целесообразно использовать при восстановлении изношенных неточных деталей. Термофрезерование наплавленного металла позволяет получить более высокий класс шероховатости поверхности, чем термообкатка, однако его следует рассматривать как промежуточный переход между наплавкой и обкаткой роликом. Технологическая схема, включающая в себя три перехода: наплавку, термофрезерование и термообкатку, позволяет заметно улучшить шероховатость формирующейся поверхности и снизить погрешность некруглости формы детали.

Достигаемая шероховатость поверхности в зависимости от материала наплавленного слоя и режимов механической обработки по технологической

схеме, включающей в себя три перехода, может быть доведена до 2...6 мкм, погрешность некруглости формы не превышает 50 мкм, что дает основание рекомендовать такую комбинацию методов обработки для восстановления изношенных цилиндрических деталей относительно высокой точности.

Исследование и фотографирование микроструктуры наплавленного металла производились на оптическом металлографическом микроскопе МИМ-8. Шлифы готовились с применением алмазных полировальных кругов соответствующей зернистости с последующим травлением.

Фрезерование наплавленного металла в процессе его нанесения и термообкатка роликом способствуют улучшению структуры поверхностного слоя деталей в сравнении с деталями, восстановленными по технологии РЭРЗ. Обеспечивается более однородная и мелкозернистая структура металла по длине детали. Наилучшая структура поверхностного слоя получается при фрезеровании со скоростью 220 м/мин и накатке роликом с усилием 8 кН деталей наплавленных проволоками СВ-08Г2С и пружинной 2-го класса под легированным флюсом.

Исследования износостойкости компенсационного слоя восстановленных деталей. Исследовались износ при граничной смазке и износ при абразивном (гидроабразивном) изнашивании, как наиболее характерные для тяжело нагруженных деталей подвижного состава. Испытания проводились на машине трения конструкции РГУПС и СМЦ-2. Износостойкость поверхности оценивалась по величине потери массы образцов с точностью до 0,1 мг на аналитических весах АДВ-200.

Исследования показали, что обкатка роликом горячего профрезерованного компенсационного слоя деталей способствует значительному снижению износа восстановленных поверхностей. Установлено, что обкатка усилием порядка 8 кН позволяет снизить износ детали при гидроабразивном изнашивании на 57...91 %, при граничной смазке на 37...85 %. При этом наблюдается следующая общая для всех испытанных материалов закономерность: увеличение усилия обкатки с 8 кН до 12 кН, равно как и его снижение до 4 кН, сопровождается уменьшением износостойкости формируемой поверхности. Лучшие результаты достигаются при термофрезеровании и обкатке в два прохода компенсационных покрытий, полученных из проволоки СВ-08Г2С при наплавке под легированным флюсом и пружинной проволоки 2-го класса под легированным и флюсом и АН-348А. Сопоставление результатов испытаний компенсационных покрытий, полученных указанным способом показало, что такое комбинирование методов обработки позволяет добиться снижения износа в 1,5...2,5 раза по сравнению с деталями, восстановленными по технологии РЭРЗ и в 1,1 — 1,2 раза по сравнению с новыми деталями.

Износ зубьев фрез определяли посредством универсального измерительного микроскопа УИМ-21, фотографирование режущих кромок зубьев осуществлялось при помощи бинокулярного стереоскопического микроскопа МБФ-1.

Результаты исследований представлены в виде эмпирической формулы и графических зависимостей износа и стойкости фрезы от режимов резания и продолжительности процесса обработки, фотографии износа зубьев фрезы по передней и задней поверхностям режущей части, динамики процесса износа во времени.

Анализ полученных результатов позволил установить, что при фрезеровании наплавленного компенсационного слоя в процессе его нанесения в отличие от его обработки в холодном состоянии, когда зубья фрезы выходят из строя через 5...20 мин из за многочисленных сколов на режущей кромке, в данном случае у всех режущих пластин наблюдается равномерный износ по длине как передней, так и задней поверхностей режущих кромок. Износ по задней поверхности при этом является превалирующим так как превосходит износ по передней поверхности в 1,4...2 раза. Лучшая износостойкость из использованных стандартных пластин отмечается у твердосплавных пятигранных пластин из Т15К6, стойкость которых по критерию затупления 0,5 мм достигает 200 мин и более.

Методом многофакторного планирования эксперимента с учетом критерия затупления фрезы, равного 0,5 мм получена эмпирическая формула для расчета периода стойкости фрезы при предложенном комбинированном методе восстановления деталей. Модель позволяет прогнозировать стойкость фрезы с достаточной для практики точностью в диапазоне значений режимов резания: скорость резания 157,6...283,3 м/мин, подача на зуб фрезы 0,779...0,187 мм/зуб, глубина резания 0,5... 1,5 мм. Расхождение экспериментальных и расчетных данных не превышает 10 %.

В пятой главе разработана методика автоматизированного выбора рациональных режимов обработки и характеристик режущего инструмента для обеспечения минимальной энергоемкости при термофрезеровании наплавленного металла. Дана методика автоматизированного расчета усилия резания и стойкости фрезы при обработке горячего наплавленного металла. Разработанные алгоритмы реализованы в виде программного продукта в среде МаШсаё.

Представлены рекомендации по разработке малооперационной технологии восстановления цилиндрических деталей машин.

На примере РЭРЗ показана технико-экономическая целесообразность совмещения в единой технологической схеме процессов наплавки, фрезерования и обкатки роликом Нанесенного компенсационного слоя при восстановлении изношенных деталей. Разработаны и внедрены в производственный процесс рекомендации по совершенствованию технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей ходовой части подвижного состава. Ожидаемый годовой экономический эффект на программу восстановления деталей ходовой части электровозов составляет 1,177 млн. руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность повышения производительности и качества восстановления изношенных цилиндрических деталей, снижения требуемых при этом материальных и энергетических ресурсов на основе совмещения в единой технологической операции автоматической электродуговой наплавки, фрезерования и отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием накаткой роликом горячего наплавленного металла.

2. Проведен анализ реализуемых на практике технологических процессов восстановления тяжелонагруженных цилиндрических деталей подвижного состава железнодорожного транспорта. Установлено, что используемые технологические процессы малоэффективны, требуют значительных материальных и энергетических затрат, ресурс восстановленных деталей составляет 40...65 % от ресурса новых деталей.

3. Разработана математическая модель расчета усилия фрезерования горячего наплавленного металла, учитывающая геометрию поверхностного слоя наплавленной детали. Получены эмпирические математические модели расчета усилия фрезерования и стойкости фрезы в зависимости от режимов резания при обработке горячего наплавленного металла с учетом критерия затупления зубьев фрезы 0,5 мм.

4. Исследована микроструктура восстановленной поверхности. Установлено, что наплавка с одновременным фрезерованием и обкаткой роликом в сравнении с технологией восстановления РЭРЗ обеспечивает более мелкозернистую и однородную по длине детали структуру наплавленного слоя, что улучшает эксплуатационные характеристики детали.

5. Выявлены закономерности влияния основных технологических факторов процессов резания и обкатки роликом на шероховатость и погрешность некруглости поверхности восстанавливаемой детали. Установлено, что достигаемая высота микронеровностей в зависимости от наплавляемого материала и режимов механической обработки лежит в пределах 2...6 мкм, погрешность некруглости формы не превышает 50 мкм.

6. Исследовано влияние режимов механической обработки наплавленного металла на износостойкость формируемой поверхности в условиях граничного трения и абразивного (гидроабразивного) изнашивания. Установлено, что совмещение в одной технологической операции процессов наплавки, фрезерования и обкатки роликом наплавленного металла позволяет превзойти износостойкость, достигаемую по технологии восстановления Ростовского-на-Дону электровозоремонтного завода деталей ходовой части подвижного состава, и увеличить их ресурс с 500 000 км до 800 000 км и более, что соответствует требованиям системы технического обслуживания и ремонта электровозов.

7. На основании анализа и обобщения результатов исследований даны рекомендации по разработке и практическому применению малооперационной ресурсосберегающей технологии при восстановлении деталей диаметром

50...250 мм с износом 1,5...2,0 мм. Разработана методика автоматизированного выбора рациональных режимов обработки и характеристик режущего инструмента для обеспечения минимальной энергоемкости при термофрезеровании наплавленного металла. Разработана методика автоматизированного расчёта стойкости фрезы и усилия резания.

8. Разработаны и внедрены в производственный процесс Ростовского-на-Дону электровозоремонтного завода рекомендации по совершенствованию технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей ходовой части подвижного состава, гарантирующие требуемый системой технического обслуживания и ремонта межремонтный ресурс восстановленных деталей. Ожидаемый экономический эффект от реализации такой технологии на годовую программу восстановления деталей электровозов составляет 1,177 млн. рублей.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

Монографии

1. Бойко, Н.И. Малооперационная ресурсосберегающая технология повышения качества наплавленного металла: Монография / Н.И. Бойко, Г.В. Санамян - Ростов н/Д: РГУПС, 2007 - 226 с.

Статьи, опубликованные в изданиях рекомендованных ВАК РФ

2. Санамян, Г.В. Исследование сил резания при фрезеровании горячего наплавленного металла с применением математического планирования эксперимента / Г.В. Санамян // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии - Орел: Госуниверситет - УНПК, 2012, № 2-3 - С. 49-56.

3. Санамян, Г.В. Экспериментальные исследования стойкости фрезы при обработке горячего наплавленного металла / Г.В. Санамян // Вестник РГУПС -Ростов н/Д: РГУПС, 2011, № 1 - С. 30-38.

4. Бойко, Н.И. Формирование шероховатости поверхности цилиндрических деталей при механической обработке наплавленного металла / Н.И. Бойко, Г.В. Санамян // Вестник РГУПС - Ростов н/Д: РГУПС, 2012, № 1 -С. 42-46.

5. Бойко, Н.И. Исследование технологических параметров процесса обкатывания роликами наплавленного металла / Н.И. Бойко, А.Е. Хачкинаян, Г.В. Санамян // Упрочняющие технологии и покрытия — М.: Машиностроение, № 10, 2006-С. 34-37.

Статьи, опубликованные в прочих изданиях

6. Санамян, Г.В. Имитационное моделирование операций упрочнения поверхностным пластическим деформированием / Г.В. Санамян // Сб. раб. лауреатов конкурса молодых ученых им. академика И.И. Воровича.

«Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники» - Ростов н/Д: СКНЦ ВШ ЮФУ, 2008 - С. 73-81.

7. Санамян, Г.В. Математическая модель усилия резания горячего наплавленного металла при фрезеровании цилиндрических деталей / Г.В. Санамян // Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2010», ч. 3 - Ростов н/Д: РГУПС, 2010-С. 118-121.

8. Санамян, Г.В. Влияние режимов фрезерования горячего наплавленного металла на усилие резания / Г.В. Санамян // Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2010», ч. 3 - Ростов н/Д: РГУПС, 2007 - С. 116-118.

9. Санамян, Г.В. Влияние накатки роликом наплавленного металла на его сцепление с металлом восстанавливаемой детали / Г.В. Санамян, Н.И. Бойко // Вестник института тяги и подвижного состава. Материалы Международной науч.-практ. конф. ученых трансп. вузов, инж. раб. и представителей академ. науки «Подвижной состав XXI века» - Хабаровск: ДВГУПС, 2008 - С. 57-58.

10. Санамян, Г.В. Исследование остаточных напряжений в деталях, восстановленных наплавкой с одновременным фрезерованием и последующим упрочнением накатным роликом / Г.В. Санамян // Сб. науч. тр. молодых ученых, асп. и докт. «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» - Ростов н/Д: РГУПС, 2009 - С. 184-187.

11. Санамян, Г.В. Моделирование операций упрочнения методами поверхностного пластического деформирования (ОУ ППД). / Г.В. Санамян, Н.И. Бойко, В.Г. Санамян // Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2007», ч. 1,-Ростов н/Д: РГУПС, 2007-С. 175-178.

12. Санамян, Г.В. Технико-экономические предпосылки применения операций упрочнения ППД в технологии изготовления и восстановления деталей машин / Г.В. Санамян, В.Г. Санамян // Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2008» - Ростов н/Д: РГУПС, 2008 - С. 337-339.

13. Санамян, Г.В. Влияние количества проходов ролика на шероховатость поверхности при обкатке горячего профрезерованного наплавленного металла / Г.В. Санамян // Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2011», ч. 2 - Ростов н/Д: РГУПС, 2011 - С. 129-131.

14. Санамян, Г.В. Исследование влияния скорости резания на шероховатость поверхности по окружности детали при фрезеровании горячего наплавленного металла / Г.В. Санамян, Н.И. Бойко // Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2011», ч. 2 - Ростов н/Д: РГУПС, 2011 - С. 131-133.

15. Санамян, Г.В. Методика автоматизированного расчета усилия фрезерования при терморезании наплавленного металла / Г.В. Санамян, Н.И. Бойко // Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2012», ч. 2 - Ростов н/Д: РГУПС, 2012 - С. 139-140.

16. Санамян, Г.В. Методика автоматизированного расчета стойкости фрезы при терморезании наплавленного металла / Г.В. Санамян, В.Г. Санамян // Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2012», ч. 2 - Ростов н/Д: РГУПС, 2012-С. 141-142.

17. Санамян, Г.В. Пути повышения производительности механической обработки труднообрабатываемых наплавленных материалов / Г.В. Санамян // Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2010», ч. 3 - Ростов н/Д: РГУПС, 2010-С. 121-124.

18. Санамян, Г.В. Наплавочные материалы, применяемые при восстановлении цилиндрических деталей малооперационной технологией / Г.В. Санамян, Н.И. Бойко, В.Г. Санамян // Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2013», ч. 4 - Ростов н/Д: РГУПС, 2013 - С. 33-34.

19. Санамян, Г.В. Компьютерное моделирование процессов наплавки и фрезерования горячего наплавленного металла цилиндрических деталей / Г.В. Санамян // Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2008» - Ростов н/Д: РГУПС, 2008 - С. 334-337.

20. Бойко, Н.И. Влияние предела текучести наплавленного металла на шероховатость упрочняемой поверхности восстанавливаемой детали / Н.И. Бойко, Г.В. Санамян // Матер. 11-й Международ, практ. конф. «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2009 - С. 27-29.

21. Бойко, Н.И. Исследование механических свойств упрочненного наплавленного металла. / Н.И. Бойко, Г.В. Санамян // Матер. 10-й Международ, практ. конф. «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», ч. 1 - СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2008 - С. 62-69.

22. Бойко, Н.И. Исследование влияния подачи и скорости резания при фрезеровании горячего наплавленного металла на продольную шероховатость поверхности / Н.И. Бойко, Г.В. Санамян // Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2011», ч. 2 - Ростов н/Д: РГУПС, 2011 - С. 99-101.

23. Бойко, Н.И. Влияние температуры упрочняемого наплавленного металла на шероховатость восстанавливаемой поверхности / Н.И. Бойко, Г.В. Санамян // Тр. Всерос. науч.-практ. конференции «Транспорт-2009» -Ростов н/Д: РГУПС, 2009, ч.1 - С. 424-425.

24. Бойко, Н.И. Исследование структуры металла, наплавленного с одновременным фрезерованием и последующим упрочнением накатным роликом / Н.И. Бойко, Г.В. Санамян //Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2008», Ростов н/Д РГУПС, 2008 - С. 321-323.

25. Бойко, Н.И. Износ валов якоря тяговых двигателей электровозов и метод их восстановления. / Н.И. Бойко, Г.В. Санамян, А.Е. Хачкинаян // Тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2007», ч. 1 - Ростов н/Д: РГУПС, 2007 -С. 160-163.

Сапамяп Георгий Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА БАЗЕ КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ

Автореферат диссертации

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,1. Тираж 100. Заказ № 7092.

Ростовский государственный университет путей сообщения Ризография ФГБОУ ВПО РГУПС.

Адрес университета: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Народного ополчения, 2.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

На правах рукописи

04201365544

САНАМЯН ГЕОРГИИ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА БАЗЕ КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.02.08 - «Технология машиностроения»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

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

Ростов-на-Дону 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................................................................4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................................7

1.1 Исследования износа деталей ходовой части электровозов.........................7

1.2 Анализ способов наплавки цилиндрических деталей машин.....................17

1.3 Анализ способов резания труднообрабатываемых

наплавленных материалов....................................................................................29

1.4 Анализ способов упрочнения поверхностным пластическим

деформированием деталей машин.......................................................................33

Цель и задачи исследований.................................................................................41

2 ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛЫ РЕЗАНИЯ. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РАСЧЕТА СИЛЫ РЕЗАНИЯ И СТОЙКОСТИ ФРЕЗЫ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ ГОРЯЧЕГО НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА...........51

2.1 Анализ влияния режимов наплавки детали на форму

наплавленного валика...........................................................................................52

2.2 Разработка математической модели расчета максимальной

площади сечения снимаемой стружки................................................................58

2.3 Математическая модель определения коэффициента К..............................68

2.4 Проверка точности математической модели силы резания

горячего наплавленного металла.........................................................................72

2.5 Исследование сил резания с применением математического планирования эксперимента.................................................................................73

2.6 Разработка математической модели стойкости фрезы

с применением планирования эксперимента......................................................86

3 УСТАНОВКА, ИНСТРУМЕНТ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НАПЛАВКИ, ФРЕЗЕРОВАНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ В ЕДИНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОПЕРАЦИИ....................................101

3.1 Установка для наплавки деталей с фрезерованием

и накаткой роликом горячего наплавленного металла.........................................101

3.2 Инструмент для механической обработки

наплавленного металла.......................................................................................108

3.3 Инструмент для накатки наплавленного металла......................................111

2

3.4 Применяемые наплавочные материалы......................................................112

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛ РЕЗАНИЯ, СТОЙКОСТИ ФРЕЗЫ, КАЧЕСТВА И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ВОССТАНОВЛЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА...................................................................114

4.1 Экспериментальные исследования сил резания.........................................114

4.2 Исследование влияния режимов фрезерования и упрочняюще-сглаживающей обкатки роликом наплавленного

металла на качество поверхностного слоя детали...........................................123

4.2.1 Шероховатость поверхности.....................................................................123

4.2.2 Структура и твердость восстановленной поверхности............................142

4.3 Исследование влияния упрочняющей обработки горячего наплавленного металла на его износостойкость..............................................150

4.3.1 Исследование влияния упрочняющей обработки

горячего наплавленного металла на абразивное (гидроабразивное) изнашивание.........................................................................................................151

4.3.2 Исследование влияния упрочняющей обработки горячего наплавленного металла на изнашивание при граничной смазке....................158

4.4 Исследование износа фрезы.........................................................................164

5 РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МАЛООПЕРАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ........................172

5.1 Методика автоматизированного выбора рациональных режимов обработки и характеристик режущего инструмента

при термофрезеровании наплавленного металла.............................................172

5.2 Практические рекомендации по выбору режимов

малооперационной технологии восстановления деталей................................179

5.3 Технико-экономическая эффективность применения процесса совмещения в единой технологической схеме наплавки,

фрезерования и упрочнения роликом цилиндрических деталей....................180

Общие выводы и рекомендации.....................................................................189

Библиографический список............................... .............................................192

Приложение........................................................................................................208

ВВЕДЕНИЕ

Современное ремонтное производство по своей мощности, функциям и задачам является крупной отраслью национальной экономики, которое, по сути, осуществляет вторичное производство машин. Оно включает в себя многочисленные самостоятельные ремонтные заводы и специализированные подразделения в составе предприятий, эксплуатирующих технику. Главная задача ремонтного производства заключается в экономически эффективном восстановлении надежности машин в результате наиболее полного использования остаточной долговечности их деталей.

Большой вклад в становление и развитие науки о ремонте машин внесли работы советских и российских ученых: В.Э. Вейриха, И.В. Грибова, В.В. Ефремова, И.В. Казарцева, К.Т. Кошкина, В.А. Шадричева, J1.B. Дехтеринского и др. В них дано теоретическое обоснование возможности и экономической целесообразности ремонта машин, раскрыты особенности и закономерности подготовки и организации ремонтного производства. Установлено, что основной источник экономической эффективности ремонта машин заключается в восстановлении изношенных деталей.

Прогресс в технологии восстановления деталей машин, которому во многом способствовали исследования В.И. Черноиванова, E.JI. Воловика, В.А. Какуевицкого, Н.И. Бойко, H.H. Дорожкина, М.И. Черновола, А.Н. Батищева, B.C. Ивашко, Н.В. Молодык, A.C. Зенкина, В.П. Усова и др. показывает, восстановление изношенных деталей в системе вторичного производства является природоохранным и ресурсосберегающим производством, позволяющим достичь, а в ряде случаев и превзойти нормативную наработку новых изделий.

Следует, однако, отметить, что на практике, в большинстве случаев послеремонтная наработка восстановленных деталей заметно уступает их нормативной наработке. Так, например, наработка значительной части материало- и энергоемких в изготовлении деталей подвижного состава

железнодорожного транспорта после их восстановления в 1,5...2,5 раза меньше наработки новых деталей, а на долю устранения их отказов приходится до 60 % расходов по поддержанию машин в работоспособном состоянии. Анализ сложившейся ситуации показывает, что в основе таких показателей лежит необоснованно низкий как в количественном, так и в качественном отношении уровень оснащенности (15...20 % по сравнению с предприятиями по производству новых машин) ремонтно-восстановительного производства современными технологиями и средствами их оснащения. Имеющиеся научные сведения и опыт ремонта сложных машин (самолетов, судов, автотракторных и других двигателей) силами заводов-изготовителей свидетельствуют о том, что низкий уровень ремонта машин, в том числе и восстановления их деталей не является коренным пороком ремонта, а является лишь результатом укоренившихся недостатков в развитии ремонтных технологии и организации ремонтного производства.

Исходя из вышеизложенного, можно констатировать, что важнейшей задачей современного ремонтного производства является создание, освоение и внедрение в производство новой высокоэффективной технологии, обеспечивающей рост производительности труда, качества выполняемых работ, снижение материало- и энергоемкости операций восстановления изношенных деталей.

Актуальность решения поставленной задачи обусловлена с одной стороны практической значимостью и перспективностью восстановления изношенных деталей машин, с другой стороны недостаточным уровнем развития восстановительных технологий и средств их оснащения.

Решение сформулированной задачи неразрывно связано с совершенствованием известных и разработкой новых ресурсосберегающих малооперационных технологий восстановления изношенных деталей машин.

В качестве объекта исследования выбран комбинированный метод восстановления цилиндрических деталей диаметром более 50 мм, совмещающий в одной технологической операции, как этап создания

ремонтной заготовки, так и этапы ее лезвийной размерной и отделочно-упрочняющей обработки ППД.

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

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Исследования износа деталей ходовой части электровозов

Увеличение объема перевозок имеющимся подвижным составом за счет повышения его работоспособности, увеличения ресурса деталей, улучшения качества текущих и капитальных ремонтов актуальная проблема железнодорожной отрасли страны. Одним из направлений решения этой проблемы является восстановление деталей. Так по данным Ростовского-на-Дону электровозоремонтного завода (РЭРЗ) по целому ряду деталей электровозов (табл. 1.1) вторичное применение восстановленных деталей значительно превышает потребление новых запасных частей. Обусловлено это относительно низкой себестоимостью восстановления указанных деталей, которая в большинстве случаев не превышает 50...60 % стоимости новых. Однако, наработка восстановленных деталей на практике в 1,5...2,5 раза меньше наработки новых деталей [1, 2, 3, 4], что не обеспечивает регламентируемую системой ТО и Р подвижного состава наработку до среднего ремонта, выполняемого на ремонтных заводах и требует замены их в условиях эксплуатации. Так, например, используемая на РЭРЗ технология восстановления гарантирует наработку восстановленных деталей электровозов 600 ООО км. Регламентируемая системой ТО и Р наработка до среднего ремонта составляет 800 000 км. В связи с чем, значительная часть восстановленных деталей достигает предельно допустимого износа раньше, чем электровозы поступают на средний ремонт.

Сложившаяся ситуация ставит задачу создания, освоения и внедрения в производство новой высокоэффективной технологии, обеспечивающей нормативный уровень качества выпускаемых изделий (ресурс восстанавливаемых деталей), а для поддержания своей

конкурентоспособности и завоевания новых позиций на рынке снижения удельных расходов производственных ресурсов.

Таблица 1.1 - Номенклатура восстанавливаемых на РЭРЗе деталей электровозов

Марка электровоза Наименование детали Диаметр наплавляемой поверхности, мм Длина наплавляемой поверхности, мм Количество деталей на электровозе, шт. Общее кол-во ремонтируемых деталей, шт.

ВЛ-80 Валик рессорный 70 240 16 3408

Валик подвески тягового двигателя 70 210 14 2982

Валик противо-разгрузочного механизма 70 200 8 1704

Всего 8094

Ведущая роль в данном случае отводится сварке, наплавке и механической обработке наплавленного металла, т.к. при ремонте подвижного состава до 75 % всего объема работ приходится на отмеченные технологии.

Многочисленными исследованиями установлено, что среди различных причин выхода изделий из строя от 40 до 60 % отказов приходится на долю изнашивания деталей [1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. Основной задачей наплавочных работ является компенсация износа и формирование на поверхности деталей покрытий (создание ремонтных заготовок) с высоким уровнем физико-механических свойств, соответствующих тяжелым условиям эксплуатации перечисленных деталей (большие вибрации, ударные нагрузки, абразивная среда, создаваемая завихрениями воздушного потока при значительных скоростях движения поездов, существенное колебание температур и т.д.). Кроме высоких эксплуатационных свойств покрытия

должны удовлетворять требованиям рациональной технологии, обладать хорошей свариваемостью и обрабатываемостью, быть относительно дешевыми.

К настоящему времени разработана широкая гамма методов наплавки, проведены исследования и установлены рациональные режимы механической обработки покрытий, промышленностью производится большая номенклатура сварочно-наплавочных материалов. Однако такое многообразие методов и средств восстановления деталей не облегчает проблему формирования заданных эксплуатационных свойств восстанавливаемых деталей, т.к. каждый из них имеет свои особенности, определенную рациональную область применения и обеспечивает высокий технико-экономический эффект только при использовании с учетом ограничений налагаемых на условия его реализации. Имеющиеся же в технической литературе рекомендации по выбору методов и средств наплавки, а также режимов механической обработки наплавленного металла носят в основном общий характер, необоснованно расширяют их технологические возможности и область применения. Все это ограничивает возможности разработки и реализации высокоэффективных технологических процессов восстановления деталей, снижает уровень используемых в производстве технологий и качество восстанавливаемых деталей. В связи с отмеченным, для разработки оптимальных технологических процессов восстановления конкретных деталей требуется проведение специальных лабораторных исследований с привлечением сил и средств соответствующих организаций, что требует дополнительных затрат, средств и времени.

Наряду с этим существенным тормозом в применении износостойких компенсационных наплавок при восстановлении деталей является трудность их механической обработки из-за специфических характеристик наплавленного металла, его большого сопротивления резанию и высокой истирающей способности. Механическая обработка таких материалов

является энергоемким процессом, требует больших сил резания и значительных затрат на инструмент.

В сложившейся практике наплавленный металл из-за затруднений с резанием лезвийным инструментом обрабатывают, в основном, шлифованием, что при больших припусках на обработку является непроизводительным, трудоемким процессом, требующим значительного расхода дефицитных шлифовальных кругов [12, 13, 14]. Обработка при этом делится на две стадии: черновое и чистовое шлифование. В ряде случаев с целью исключения предварительного чернового шлифования производят термическую обработку (отжиг или нормализация) деталей после наплавки, что позволяет выполнять предварительную обработку наплавленных поверхностей лезвийным инструментом, но требует для получения необходимой твердости введения после этого операции закалки.

Многооперационность технологии восстановления деталей, использование малопроизводительных энергоемких операций требует создания участков со значительным количеством дорогостоящего оборудования, увеличивает длительность технологического цикла, снижает экономическую целесообразность восстановления деталей. В сложившихся условиях, чтобы завоевать позиции на рынке товаров, восстановительное производство должно не только достичь и поддерживать нормативный уровень качества выпускаемых изделий, но и для большей эффективности своей работы непрерывно уменьшать удельный расход производственных ресурсов. В связи с отмеченным, особую актуальность приобретают задачи повышения производительности операций механической обработки наплавленного слоя, снижения их энерго и ресурсоемкости. Значимость решения указанных задач становится еще более актуальной при учете современной тенденции широкого применения в восстановительном производстве высокопрочных, износостойких и труднообрабатываемых материалов, а также к всемерному стремлению сокращения расходов энергетических и материальных ресурсов.

С целью прогнозирования требований к восстановлению перечисленных выше деталей ходовой части подвижного состава и разработки высокопроизводительной ресурсосберегающей технологии их восстановления были проведены исследования износа поступающих на РЭРЗ деталей. Ниже приведен анализ, проведенный для наиболее типичной и массово восстанавливаемой детали - валика рессорного подвешивания электровозов ВЛ-80. Заводская программа восстановления составляет в среднем 115... 120 единиц в месяц. Масса детали превышает 7 кг. Схема крепления валика рессорного подвешивания представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1 — Схема крепления валика рессорного подвешивания: 1 - рама; 2 - втулка; 3 - стопорная планка;