автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Совершенствование электрофизического процесса нанесения ферромагнитных порошков в пульсирующем магнитном поле с целью повышения прочностных характеристик восстановленных деталей сельскохозяйственной техники

На правах рукописи

ГОРОХОВА Марина Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПОРОШКОВ В ПУЛЬСИРУЮЩЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОССТАНОВЛЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

Специальности: 05.20.03-технологии и средства технического обслуживания в

сельском хозяйстве; 05.20.02-электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве (по техническим наукам)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рязань 2005

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Рязанская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. ПЛ. Костычева»

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Борисов Геннадий Александрович кандидат технических наук, доцент Судаков Николай Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Учеваткин Александр Иванович кандидат технических наук, доцент Ванцов Виктор Иванович

Ведущая организация: Центральное опытное проектно-конструкторское бюро -' --- 4 ГОСНИТИ (г. Рязань)

Защита диссертации состоится «14» июня 2005г. в 1_1 часов на заседании диссертационного совета Д 220.057.02 при ФГОУ ВПО «Рязанская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. П.А. Костычева» по адресу 390044, г. Рязань, ул. Костычева, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Рязанская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. П.А. Костычева»

Автореферат разослан « 13 » мая 2005г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 390044, г. Рязань, ул. Костычева, д.1, Ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Л М.Б. Угланов

тч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Актуальной задачей современного ремонтного производства является осуществление практических мер по повышению надежности и долговечности машин, оборудования и приборов. Надежность и долговечность деталей во многом определяются состоянием их поверхностного слоя. Известно, что в подавляющем большинстве детали выходят из строя не в результате поломок, а в результате износа лишь тонкого поверхностного слоя. Поэтому требования, предъявляемые к основному материалу детали и к ее поверхностному слою, должны быть различны. Обеспечение равнопрочности и износостойкости восстановленных деталей является важнейшей задачей в техническом перевооружении сельскохозяйственного ремонтного производства. Решение ее позволит сократить номенклатуру и объем запасных частей, значительно повысить ресурс машин до и после капитального ремонта. Особенно актуальна эта проблема для деталей типа «вал» с малыми величинами износа, занимающих особое место в ремонтном производстве.

К числу прогрессивных методов создания поверхностного слоя с заданными физико-химическими свойствами относится упрочнение деталей ферропорошками в магнитном поле. Большой вклад в создание и совершенствование методов получения поверхностного слоя деталей с требуемыми физико-химическими свойствами внесли следующие ученые: Коновалов Е.Г., Вадивасов Д.Г.,Лазарёнко Б.Р., Дорожкин H.H., Ульман И.Е., Чемисов Б.П., Абрамов В.И., Люцко A.B. и другие. Этот метод до настоящего времени не нашел широкого применения в ремонтной практике вследствие отсутствия способов и устройств для его более эффективной реализации. Широкие технологические возможности данного метода предопределяют перспективность его развития и применения в агропромышленном комплексе РФ.

Цель работы - повышение прочностных характеристик деталей типа «вал» путем разработки и внедрения новой технологии восстановления этих деталей ферропорошками в пульсирующем магнитном поле.

Объект исследований. Технологический процесс восстановления деталей сельскохозяйственной техники типа «вал» ферропорошками в пульсирующем магнитном поле.

Методика исследований. Достижение поставленной цели осуществлялось путем теоретического и экспериментального исследования. Теоретическое исследование заключалось в обосновании полярности процесса восстановления, а также выбора состава смеси ферромагнитного порошка и основных технологических факторов, влияющих на прочностные характеристики упрочняемых поверхностей при восстановлении ферропорошками в пульсирующем магнитном поле. Экспериментальные исследования выполнялись на специально изготовленной установке с использованием стандартных и разработанных методик. Обработка результатов полученных экспериментальных данных проводилась методами математической статистики с применением ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- обоснована оптимальная схема полярности процесса и целесообразность применения железо-хромо-никелевой основы в составах ферромагнитных порошков;

- исследовано влияние основных легирующих элементов (углерода, хрома и никеля) на качественные показатели металлопокрытий (микроструктуру, плотность, микротвердость и износостойкость);

- разработано бункерное дозирующее устройство; предложена геометрия полюсного наконечника; в электрическую схему установки встроен генератор, который изменением своих электрических характеристик позволяет плавно регулировать частоту вибрации полюсного наконечника с целью исследования ее влияния на качество металлопокрытия;

- с целью получения деталей номинального размера с заданными значениями шероховатости и повышения качества металлопокрытия процесс восстановления совмещен с процессом механической обработки шлифовальным кругом;

разработан технологический процесс восстановления опорных шеек распределительных валов двигателей внутреннего сгорания предложенным методом.

Практическая ненность и реализация работы. Основные теоретические положения подтверждены экспериментальными исследованиями в лабораторных и производственных условиях. Новизна технического решения подтверждена положительными решениями на полезную модель № 2004131710/22 от 10.11.04 «Устройство для наплавки ферромагнитных порошкообразных металлов», № 2004134110/22 от 23.12.2004 г. «Установка для восстановления и упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле», № 2004130158/22 от 18.10.04 «Установка для упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле». Практическая ценность работы заключается в том, что предложенный процесс упрочнения деталей ферропорошками в пульсирующем магнитном поле является основой его эффективного применения для восстановления и упрочнения деталей типа «вал», в том числе опорных шеек распределительных валов двигателей внутреннего сгорания с целью повышения их износостойкости. Реализация результатов исследований, осуществленная при внедрении процесса восстановления деталей ферропорошками в пульсирующем магнитном поле подтвердила рекомендации и выводы диссертации.

Апробаиия работы. Содержание отдельных разделов докладывалось на научно

- практических конференциях РГСХА в 2001 - 2005 годах, на Международной научно - практической конференции молодых ученых и специалистов «Вклад молодых ученых в развитие аграрной науки XXI века», посвященной 55 - летию Рязанской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора П.А. Костычева. Диссертационная работа обсуждалась на открытом заседании кафедры «Технология металлов и ремонт машин» РГСХА.

Научные положения и результаты работы выносимые на защиту:

1. Способ получения износостойкого покрытия, путем нанесения ферромагнитного- порошку пульсирующем магнитном поле.

/'"»«лнм.*»»« | ^

; ... г ...'

2. Закономерности протекания электрофизических процессов в зоне нанесения порошка.

3. Результаты исследований основных рекимов нанесения ферромагнитного порошка в пульсирующем магнитном поле, структура, механические свойства нанесенного слоя и технико-экономические показатели процесса.

4. Технологический процесс восстановления опорных шеек распределительных валов двигателей внутреннего сгорания.

Публикании - По теме диссертации получены 3 свидетельства на полезную модель. Основное содержание работы опубликовано в 11 печатных работах, в том числе одна в центральном журнале.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов, содержит 155 страниц машинописного текста, 14 таблиц, 35 рисунков и список литературы, включающий 112 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность применения метода упрочнения деталей ферропорошками в пульсирующем магнитном поле для повышения износостойкости их поверхностей.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» на основании анализа литературных источников дан обзор достижений в области упрочнения деталей ферропорошками в пульсирующем магнитном поле, поставлены цель и задачи исследований. Метод упрочнения ферропорошками в пульсирующем магнитном поле относится к числу перспективных методов создания поверхностного слоя деталей с требуемыми физико-химическими свойствами. Он практически не требует специальной подготовки поверхности перед упрочнением. Созданный поверхностный слой с небольшим припуском на механическую обработку и высокой прочностью сцепления при низкотемпературном воздействии на основу обладает высокой твердостью и износостойкостью. Сущность данного метода заключается в следующем (рисунок 1): упрочняемая деталь 1 устанавливается с некоторым зазором относительно полюсного наконечника 4 сердечника 5. Электромагнитная катушка б питается постоянным или выпрямленным пульсирующим током. Магнитный поток пронизывает деталь в радиальном направлении. Сердечник подключается к одному, а деталь через скользящий контакт 7 к другому полюсу источника технологического тока. При вращении детали в зазор между упрочняемой поверхностью и полюсным наконечником сердечника электромагнита непрерывно подается из бункера дозирующего устройства 3 ферромагнитный порошок 2. Ориентируясь в зазоре вдоль магнитных силовых линий, зерна ферропорошка образуют множество токопроводящих цепочек, замыкающих электрическую цепь между полюсным наконечником и деталью. Вследствие образовавшегося тока и вихревых токов, генерируемых в зернах ферропорошка, порошок расплавляется и диффундирует в нагретый слой.

Рисунок 1 - Однополюсная схема восстановления деталей типа «вал» ферропорошками в пульсирующем магнитном поле

Основные исследования по данному методу проведены Коноваловым Е.Г., Чемисовым Б.П., Марченко И.Ф., Акуловичем Л.М., Абрамовым В.И., Люцко В.А. и других ученых. Проведенный анализ позволил сформулировать цель диссертационной работы, которая заключается в повышении прочностных характеристик деталей типа «вал» путем разработки и внедрения новой технологии восстановления ферропорошками в пульсирующем магнитном поле. Для достижения указанной цели намечено решить следующие задачи исследований:

1. Обосновать полярность процесса восстановления деталей типа «вал» ферропорошками в пульсирующем магнитном поле при их оценке на изменение массы образцов «анода» и «катода», толщины и микротвердости упрочненного слоя, зоны термического влияния, а также влияния величины подводимой энергии и величины магнитной индукции на предложенные параметры.

2. Обосновать целесообразность применения железо-хромо-никелевой основы в составах ферромагнитных порошков. Исследовать влияние основных легирующих элементов (углерода, хрома, никеля) на качественные показатели металлопокрытий (микроструктуру, плотность, толщину и микротаердость);

3. Исследовать процесса дозирования ферромагнитного материала предложенным вибрационным дозирующим устройством с целью определения зависимости величины расхода ферромагнитного порошка от величины добавочного сопротивления в цепи питания электромагнитной катушки;

4.Создать математическую модель технологического процесса при его реализации по предложенному способу, исследовать влияние основных технологических факторов процесса на формирование упрочненного слоя, определить оптимальные режимы процесса; определить технико-экономическую эффективность результатов исследования и их внедрения в производство;

5.Разработать рекомендации по применению технологического процесса восстановления опорных шеек распределительных валов двигателей внутреннего сгорания.

Во второй главе «Теоретическое обоснование процессов при восстановлении ферропорошками в пульсирующем магнитном поле».

Исследовано влияние взаимной направленйостй электрического тока разряда, магнитной индукции и ее градиента на формирование поверхностного слоя детали. В результате анализа достижений в области упрочнения деталей ферропорошками в пульсирующем магнитном поле выяснилось, что при реализации процесса в рабочем зазоре между упрочняемой деталью и полюсным наконечником всегда имеется неравномерность распределения магнитного потока, что может быть охарактеризовано градиентом магнитной индукции.

Цепочка зерен ферропорошка в момент времени, предшествующий возникновению электрического контакта в системе деталь - цепочка зерен -полюсный наконечник, может находиться в контакте либо с полюсным наконечником, либо с деталью. Поскольку деталь и полюсный наконечник имеют электрическую и магнитную полярности, то и цепочка зерен ферропорошка в момент времени, предшествующий возникновению электрического контакта в системе, также будет иметь электрическую и магнитную полярности, соответствующие полярностям детали или полюсного наконечника в зависимости от направления градиента магнитной индукции в рабочем зазоре. Рассмотрение взаимной направленности электрического тока разряда, магнитной индукции и ее градиента эквивалентно рассмотрению схем полярности процесса. В магнитном поле после внесения цепочки зерен ферропорошка в воздушном зазоре между полюсами магнитной системы возникает градиент магнитной индукции, направленный в сторону того магнитного полюса, которому принадлежит цепочка. Величина силы, действующей на зерно в направлении вектора градиента магнитной индукции, нами определялась по формуле:

4 рА*ЪкН

р--- (1)

3 Яд + А

А и Ь - размер большой и малой осей эллипсоида, м; Н- напряженность магнитного поля у верхней границы зерна, А/м;

к- магнитная восприимчивость материала ферропорошка; /¿-магнитная проницаемость материала ферропорошка, г/м; Ид - радиус упрочняемой детали, м.

На рисунке 2 приведена зависимость величины магнитной индукции в рабочем зазоре от силы тока в электромагнитных катушках. Вычисление величины магнитной индукции производилось по формуле:

В-а/ю-Б (2)

а - показания прибора в делениях шкалы; со - число витков измерительной рамки; в - площадь измерительной рамки, м2. Из зависимости одйозначно просматривается, что при увеличении тока короткого замыкания величина магнитной индукции увеличивается.

и м> 2,о г.5

Рисунок 2 - Зависимость величины магнитной индукции в рабочем зазоре В от силы тока в электромагнитных катушках I 1,2,3,4,5,6 - соответственно в зазорах 0,4; 0,8; 1,0; 1,2; 1,6; 2,0мм

На рисунке 3 приведена зависимость увеличения массы образцов "катода" от величины магнитной индукции в рабочем зазоре. Вне зависимости от силы тока короткого замыкания с увеличением магнитной индукции от 0,1 Т до определенных значений увеличение массы образцов катода возрастает, а при дальнейшем увеличении магнитной индукции - снижается. С возрастанием силы тока короткого замыкания величина магнитной индукции, при которой наблюдается наибольшее увеличение массы образцов «катода», смещается в сторону меньших значений. При работе сварочного трансформатора в режиме малых токов оптимальные значения величины магнитной индукции находятся в пределах от 0,18 до 0,31 Т.

Рисунок 3 - Зависимость увеличения массы образцов "катода" Мк от величины магнитной индукции в рабочем зазоре В

1,2, 3,4 - при силе тока короткого замыкания 150, 200,250, 300А

На рисунке 4 приведены зависимости привеса и коэффициента переноса материала от размера наибольшей оси зерна ферропорошка марки ФМИ-2 по форме близкой к сферической, с номинальными размерами наибольшей оси 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1 мм.

И \ N

и \ 1 1 \ -- ч —;

в

> 8 * " V" а

\ ч V4 \ч

¿> И*

Рисунок 4 - Зависимости привеса М и коэффициента переноса материала Кп от размера наибольшей оси зерна ферропорошка Ь 1,2 - привес при токе короткого замыкания 150Аи ЗООА;

3,4 - коэффициент переноса при токе короткого замыкания 150А и ЗООА Анализ полученной зависимости показывает, что лучшие результаты по привесу и коэффициенту переноса обеспечивает ферромагнитный порошок с размерами наибольшей оси в интервале 0,2...0,4 мм.

На рисунке 5 приведена зависимость величины смещения полюсного наконечника от силы тока в электромагнитной катушке.

V-

Щ*-

V -

-

4/ -

Т5 «

?

'-Ъ

У

АЛ

«©

Рисунок 5 - Зависимость величины смещения полюсного наконечника Д от силы тока в электромагнитной катушке I

1 - от нулевого положения к сердечнику;

2 - от нулевого положения от сердечника

Из вышеизложенного следует, что взаимная направленность векторов тока разряда, магнитной индукции и ее градиента оказывает существенное влияние на изменение массы, на твердость и микротвердость упрочненного слоя и слоя термического влияния образцов «катода». В зависимости от предпочтительного результата может применяться одна из четырех схем полярности процесса восстановления деталей ферропорошками в пульсирующем магнитном поле (рисунок 6):

аК+БА-К); с^-БД+М); а3«-ЛА-8); аД-ТЧД+З)

Рисунок 6 - Схемы полярности процесса восстановления ферропорошками в пульсирующем магнитном поле

Применение ферромагнитного порошка определенного химического состава в значительной степени влияет на формирование металлопокрытия при восстановлении деталей в пульсирующем магнитном поле. Выпускаемые нашей промышленностью ферромагнитные порошки не разработаны для применения при восстановлении предложенным способом. Проведенный нами теоретический обзор позволяет предположить, что наиболее приемлемый состав порошковых смесей при восстановлении деталей ферропорошками в пульсирующем магнитном поле должен содержать: железа - 23-28%, никеля - 24-25%, хрома - 36%.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» дано описание экспериментальной установки для восстановления деталей ферропорошками в пульсирующем маппггном поле. Установка состоит из следующих' основных элементов (рисунок 7): электромеханического блока 1; пульта контроля и регулирования электрических параметров 2, а также источника технологического тока 3 в виде сварочного трансформатора ТД-500.

Рисунок 7 - Общий вид установки для восстановления ферропорошками в пульсирующем магнитном поле

Преложено изменить конструкцию электромеханического блока, отделив накопитель от подвижной части вибросистемы, что сводит к минимуму влияние массы ферропорошка в накопителе на равномерность подачи во времени.

Конструкция электромагнитного вибрационного БДУ (бункерного дозирующего устройства) схематически представлена на рисунке 8. Накопитель 1 отделен от подвижной части вибросистемы и неподвижно укреплен над плоскостью лотка. В нижней части накопитель имеет днище 2 с узкими прорезями вдоль передней и задней стенок. Лоток 3 разделен на ручьи, по которым движется ферропорошок, чем обеспечивается равномерность подачи по ширине лотка. Лоток укреплен на пластинчатых пружинах 4. С лотком жестко связан якорь 5, расположенный над статором 6. Переменный магнитный поток создается электромагнитной катушкой 7.

Предложена форма полюсного наконечника, повторяющая геометрию восстанавливаемой детали и позволяющая сохранять однородный магнитный поток в любом сечении рабочего зазора. Радиус вогнутости полюсного наконечника рассчитывается по формуле: Ян = Яд+Д, где (3)

Яд - радиус детали;

Д - зазор между деталью и полюсным наконечником;

Изменение электрической схемы установки позволило плавно регулировать частоту вибрации полюсного наконечника, а совмещение процесса восстановления с процессом механической обработки получать детали номинального размера с заданными величинами шероховатости.

Планирование многофакторного эксперимента и обработка экспериментальных данных проводилась в программе для ЭВМ - БТАИБПСА^б.

С целью проверки соответствия конструкции бункерного дозирующего устройства условиям реализации процесса и определения зависимости величины расхода ферропорошка от величины добавочного сопротивления в цепи питания электромагнитной катушки нами проведено исследование процесса дозирования ферропорошка предложенным вибрационным БДУ. Исследование проведено при планировании эксперимента по ротатабельному математическому плану второго порядка. Варьируемыми факторами приняты: величина добавочного сопротивления и масса ферропорошка в накопителе. Параметр отклика - величина минутного расхода ферропорошка. Опыты проводились при трехкратном дублировании. В качестве материала применяется ферропорошок ФМИ-2 с размерами наибольшей оси зерна 0,2 + 0,4мм. Величина добавочного сопротивления устанавливалась потенциометром и контролировалась прибором Ц 4315. В условиях каждого опыта

БДУ работало в течение шести минут. Первоначально после каждой минуты порция порошка возвращалась в накопитель, чем обеспечивался установившийся режим работы БДУ. Для регистрации величины минутного расхода ферропорошка отбиралась его порция, поданная в течение шестой минуты. Время отсчитывалось по секундомеру. Порции порошка взвешивались на аналитических весах ВЛА-200г-М.

Для выяснения влияния углерода, хрома и никеля на характер формирования металлопокрытия - его плотность и толщину использована матрица планирования полнофакторного эксперимента 23.

Анализ микроструктуры проводили на шлифах из образцов нормализованной и закаленной стали 45 диаметром 30 и шириной 10 мм, наплавленных на изучаемых режимах. Травление шлифов выполнялось в реактивах следующего состава: 4% раствора азотной кислоты в спирте; пикриновая кислота (0,9г), едкий натр (25г), дистиллированная вода (75 мл), 5...8% раствор едкого натра (при электролитическом травлении).

Микротвердость наплавленного металла определялась на приборе ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76. Измерения проводились через 0,2 мм по длине образца на расстоянии 10 мм и "через 0,25 мм по глубине образца до зоны основного металла, неподверженного термическому влиянию. Микроструктура изучалась и фотографировалась на металлографическом микроскопе МИМ-8М при 500-кратном увеличении.

Динамика изменения температуры по сечениям образцов - зона термического влияния - определялась металлографическим методом путем анализа микротвердости и микроструктуры наплавленных образцов и сравнения полученных показаний с эталонными.

Приведены стандартные методики по определению износостойкости на машине трения МИ-1М и усталостной прочности образцов на машине типа МУИ-6000. Прочность сцепления наплавленного металла с основным определялась по методу отрыва штифта (метод Олларда). Для этой цели в образцах 025 мм были просверлены ступенчатые отверстия 04 мм и 012 мм, в которые после индивидуальной подгонки устанавливались по скользящей посадке штифты. Отверстия 012 мм сверлились на глубину 16 мм для размещения в них головок штифтов, имеющих резьбу М8. Головки штифтов после их установки в образец закрывались пробками. Собранный образец шлифовался до диаметра 24 мм под наплавку. После наплавки металлопокрытие со стороны пробок сошлифовывалось и пробки удалялись. На резьбовую головку штифта навинчивалась тяга и штифт открывался нормально приложенной силой на разрывной машине Р5. В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» создана математическая модель технологического процесса при его реализации по предложенному способу. Исследовано взаимное влияние основных технологических факторов процесса (начального зазора VI, приращения зазора \2, тока короткого замыкания уЗ, расхода ферропорошка у4 и частоты вибрации полюсного наконечника у5) на формирование упрочненного слоя (удельный привес уб, коэффициент сплошности номинальной поверхности у7 и коэффициент переноса материала ферропорошка у8). Результаты расчета математических моделей были

получены в программе для ЭВМ - БТАПвТЮД уб и характеризуют зависимость параметров откликов от основных технологических варьируемых факторов:

у6=Ь0+Ь1*У1+Ь2*У2+ЬЗ*УЗ+Ь4*У1*У2+Ь5*У1*УЗ+Ь6*У2*УЗ+Ь7*У1*У1+ +Ь8*У2*У2+Ь9*УЗ*уЗ+Ь10*У4+Ь11*У1*У4+Ь12*У2*У4+Ь13*УЗ*У4+ +Ы4*У4*у4+Ь15*У5+Ь16*У1*У5+Ь17*У2*У5+Ь18*УЗ*У5+Ь19'*У4*У5+ +Ь20*у5*У5 (4)

у7=Ь0+Ы*У1+Ь2*У2+ЬЗ','УЗ+Ь4*У1,,,У2+Ь5#У1*УЗ+Ь6*У2*УЗ+Ь7*У1*У1+ +Ь8*У2*у2+Ь9*УЗ*УЗ+Ь10*У44Ъ11*У1*У4+Ь12*У2*У4+ЫЗ*УЗ*У4+ +Ь14»у4*У4+Ь!5*У5+Ь16*У1*У5+Ь17*У2*У5+Ы8*УЗ*У5+Ь19*У4*У5+ +Ь20*у5*У5 (5)

у8=Ь0+Ь1*У1+Ь2*У2+ЬЗ*УЗ+Ь4*У1*У2+Ъ5*У1*УЗ+Ь6*У2,|,УЗ+Ь7*У1*У1+ +Ь8*у2*У2+Ь9*УЗ*УЗ+Ь10*У4+Ь11*У1*У4+Ь12*У2*У4+ЫЗ*УЗ*У4+ +Ь14*У4*у4+Ь15*У5+Ь16*У1*У5+Ь17*У2*У5+Ы8*УЗ*У5+Ь19*У4,»У5+ +Ь20*у5*У5 (6)

у7 У8

у6

ш 30 I I 20

■I 15

Рисунок 9 - Зависимость силы тока короткого замыкания и частоты вибрации полюсного наконечника на коэффициент сплошности номинальной поверхности у7, коэффициент переноса материала ферропор'ошка у8, удельный привес у6.

Строили и анализировали контурные графики зависимостей значений параметров откликов v6, v7, v8 от таких технологических факторов, как сила тока короткого замыкания v3 и частота вибрации полюсного наконечника v5 (рисунок 9).

Оптимальные режимы процесса соответствуют начальному зазору 0,4 мм, приращение зазора в пределах 0,45...0,65 мм, силе тока короткого замыкания 162...295 А, расходу ферропорошка на единицу ширины полюсного наконечника 0,050...0,072 г/с ■ см и удельной длительности процесса при единичной ширине полюсного наконечника 2,12...2,61 с/см. Рекомендуемые режимы процесса упрочнения деталей по предложенному способу обеспечивает удельный привес детали 15,84...26,59 мг/см2 при производительности 69...85 см2/мин и коэффициенте переноса материала ферропорошка до 17,4%, что соответственно в 2, 1,7 и 1,4 раза выше значений этих параметров при упрочнении в постоянном магнитном поле. Установка для реализации процесса надежна в работе, проста конструктивно и в обслуживании.

Исследован процесс дозирования ферромагнитного порошка. Можно утверждать, что величина минутного расхода ферропорошка не зависит от его массы в накопителе. В натуральных значениях уравнение принимает вид:

q = 158,158 - 0,26772/? + 1,0810"4*2 (7)

q - величина расхода ферропорошка, г/мин; R - величина добавочного сопротивления, Ом.

По полученному уравнению могут быть рассчитаны величины добавочных сопротивлений, обеспечивающих требуемые значения расхода ферропорошка.

Исследовано влияние углерода, хрома и никеля на качественные показатели металлопокрытий. Математическая модель поверхностей отклика в трехмерном пространстве в виде поверхностей равных значений параметра оптимизации представлена на рисунке 10. Наибольшее влияние на плотность покрытий оказывает процентное содержание никеля (в,=4,9), затем величина процентного содержания углерода (Bj=3,14), а наименьшее - процентное содержание хрома. На количество пор и толщину покрытия наибольшее влияние оказывает процентное содержание углерода, затем никеля и наименьшее - процентное содержание хрома.

толщину а, плотность п и микротвердость Нм

14

верхний слой переходная зона основной металл Рисунок 11 - Микроструктура наплавленного слоя Анализ микроструктуры свидетельствует о положительном воздействии никеля на процесс кристаллизации. Он является эффективным средством в снижении столбчатости кристаллов в структуре наплавленного металла. При различных соотношениях легирующих элементов углерода, хрома и никеля возможно получение структур, обладающих различными физико-механическими свойствами. Наличие трех отчетливо выраженных зон: покрытия, сплавления покрытия с основным металлом и диффузионного слоя, свидетельствуют о сохранении характера формирования металлопокрытия при восстановлении ферропорошками в пульсирующем магнитном поле (рисунок 11).

Анализ обеспечиваемого уровня относительной износостойкости (рисунок 12) сделан на основе полученных данных о величинах износов металлопокрытий и сопряженных колодок. Как видно из рисунка, при применении состава порошковой смеси ФМП-3 износ ролика меньше, чем у закаленной токами высокой частоты стали 45, при одновременном снижении износа сопряженной колодочки и сопряжения в целом в 1,15... 1,2 раза. Это можно объяснить наличием в наплавленном металлопокрытии малой пористости, способствующей хорошим условиям смазки в процессе работы. Значительный износ сопряжения при использовании смеси ФМП-1 объясняется низкой твердостью металлопокрытия и образования задиров в процессе испытаний.

Рисунок 12 - Износ образцов 1 - ФПМ-3; 2 - сталь 45; 3 - ФМП-2; ФМП-1

Сравнивая зависимости износов, микротвердости и структуры металлопокрытий от процентного содержания углерода, хрома и никеля, видна их полная идентичность, что подтверждает правильность направления исследований.

Разработанный наиболее приемлемый состав смеси получается за счет введения необходимых элементов в сплав типа ФМИ-2 (ПР-Х11Г4СР) /г. Тула ОАО «Полема»/ и обладает наилучшими свойствами (таблица 1).

Смесь С Сг 81 N1 Мп В Бе Ре Си

ФМП 4,04 36,05 4,77 24,88 2,25 0,73 25,96 0,05 0,58

Таблица 1 - Химический состав порошковой смеси

В пятой главе «Технико-экономическое обоснование эффективности внедрения технологического процесса восстановления» даны рекомендации по промышленному применению процесса восстановления деталей типа «вал» ферропорошками в пульсирующем магнитном поле. Разработан технологический процесс восстановления опорных шеек распределительных валов механизма газораспределения двигателей внутреннего сгорания. Экономическая эффективность от внедрения предлагаемого технологического процесса упрочнения и восстановления опорных шеек распределительного вала составила 177 тыс. рублей в год с программой выпуска 60 тысяч штук.

Основные выводы

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлена целесообразность применения метода восстановления деталей ферромагнитными порошками в пульсирующем магнитном поле. Предложена новая технология восстановления опорных шеек распределительных валов двигателей внутреннего сгорания. Предложенный метод является высокостабильным и обеспечивает повышение производительности в 1,7 раза при увеличении удельного привеса в 2 раза и коэффициента переноса ферропорошка в 1,4 раза по сравнению с существующими методами восстановления деталей ферропорошками в магнитном поле. Таким образом, поставленная в работе цель достигнута.

2. Исследовано влияние взаимной направленности векторов тока разряда, магнитной индукции и ее градиента на формирование поверхностного слоя. Варианты взаимной направленности этих векторов находят отображение в схемах полярности процесса, что оказывает существенное влияние на изменение массы, толщины, микротвердости и слоя термического влияния нанесенного металлопокрытия. В зависимости от предпочтительного технологического результата процесс можно осуществлять по одной из четырех схем полярности. Не зависимо от принятой схемы процесс сопровождается увеличением массы образцов «катода» и уменьшением массы образцов «анода».

3. Обоснована целесообразность применения железо-хромо-никелевой основы в составах ферромагнитных порошков. Изменяя содержание легирующих элементов (углерода, хрома и никеля) можно получать покрытия с разной толщиной, плотностью, микротвердостью и микроструктурой. Наилучшие качества слоя получены при использовании смеси с содержанием легирующих элементов: С-4%, Сг-36%, N1-25%.

4. Исследован процесс дозирования предложенным вибрационным дозирующим устройством. Получено уравнение зависимости расхода ферропорошка от величины добавочного сопротивления. Установлено, что величина минутного расхода ферропорошка не зависит от его массы в накопителе.

5. Создана математическая модель технологического процесса. Исследовано взаимное влияние основных технологических факторов на удельный привес, коэффициент сплошности и коэффициент переноса ферропорошка. Установлены оптимальные режимы процесса: величина начального зазора - 0,4 мм; приращение зазора - 0,6 мм; ток короткого замыкания 295 А; расход ферромагнитного порошка 0,05г/с; частота вибрации полюсного наконечника 50Гц. Рекомендуемые режимы обеспечивают удельный привес детали 26 мг/см2 при производительности 85 см2/мин и коэффициенте переноса материала ферропорошка до 17%.

6. Производственными испытаниями установлено, что восстановление опорных шеек распределительных валов ферромагнитными порошками в пульсирующем магнитном поле обеспечивает повышение их ресурса в 1,5 раза по сравнению с наплавкой под слоем флюса. При этом экономический эффект от внедрения разработанной технологии составляет 177 тыс. рублей на программу 60 тысяч штук в год.

Материалы диссертации изложены в работах, опубликованных соискателем.

1. Борисов Г.А., Горохова М.Н., Слугин М.М.. Повышение износостойкости восстановленных деталей сельскохозяйственной техники ферромагнитными порошками в магнитном поле.// Энергосберегающие технологии использования и ремонта машинно-тракторного парка. Сборник материалов научно-практической конференции, посвященный 50-летию кафедр «Эксплуатация машинно-тракторного парка» и «Технология металлов и ремонт машин» инженерного факультета. -Рязань, 2004.

2. Борисов Г.А., Горохова М.Н., Слугин М.М.. Восстановление деталей автотракторной техники ферромагнитными порошками в магнитном поле. // Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции. Сборник материалов научно-практической конференции, посвященной 50-летию инженерного факультета ПГСХА, Пенза, 2002.

3. Борисов Г.А., Горохова М.Н., Судаков H.H., Слугин М.М.. //Авторское свидетельство по заявке № 2004130158/22 от 18.10.04 «Установка для упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле». М. Кл.7 В 23 Р 1/18.

4. Борисов Г.А., Горохова М.Н., Судаков H.H., Слугин М.М.. //Авторское свидетельство по заявке № 2004131710/22 от 10.11.04 «Устройство для наплавки ферромагнитных порошкообразных металлов», М. Кл.7 В 23К 9/04.

5. Борисов Г.А., Горохова М.Н., Судаков H.H., Слугин М.М.. //Авторское свидетельство по заявке № 2004134110/22 от 23.12.2004 г. «Установка для восстановления и упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле», М. Кл.7 В 23 Р 1/18.

6. Борисов Г.А., Горохова М.Н., Судаков H.H., Слугин М.М.. Технология восстановления и упрочнения деталей ферропороппсами в магнитном поле электроимпульсным способом при вибрации полюсного наконечника // Журнал «Ремонт, восстановление и модернизация», Москва, 2005.

7. Борисов Г.А., Горохова М.Н., Халамцев A.A..// Влияние скорости, удельной длительности, производительности и энергии импульсов на формирование металлопокрытий. // Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции. Сборник материалов научно-практической конференции, посвященной 50-летию инженерного факультета ПГСХА, Пенза, 2002.

8. Борисов Г.А., Горохова М.Н. // Исследование влияния состава ферромагнитного порошка в процессе наплавления на плотность и толщину металлопокрытия. // Сборник материалов научно - практической конференции, посвященной 50 - летию кафедр «Эксплуатация машинно-тракторного парка» и «Технология металлов и ремонт машин» инженерного факультета. «Энергосберегающие технологии использования и ремонта машинно-тракторного парка», Рязань, 2004.

9. Борисов Г.А., Горохова М.Н., Халамцев A.A..// Влияние состава порошковой смеси на качество металлопокрытия. // Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции. Сборник материалов научно-практической конференции, посвященной 50-летию инженерного факультете ПГСХА, Пенза, 2002.

10. Борисов Г.А., Горохова М.Н.. // Исследование влияния состава ферромагнитного порошка в процессе наплавления на плотность и толщину металлопокрытия в магнитном поле. // Сборник материалов научно - практической конференции, посвященной 50 - летию кафедр «Эксплуатация машинно-тракторного парка» и «Технология металлов и ремонт машин» инженерного факультета. «Энергосберегающие технологии использования и ремонта машинно-тракторного парка», Рязань, 2004.

11. Борисов Г.А., Слугин М.М., Горохова М.Н., Буренина Е.И..// Влияние состава ферромагнитного порошка на микротвердость поверхностных слоев восстановленных деталей электроимпульсным способом в магнитном поле. // Сборник научных трудов профессорско-преподавательского состава и аспирантов РГСХА им. профессора Костычева П.А., к 55-летию РГСХА посвящается, Рязань, 2004.

12. Борисов Г.А., Горохова М.Н., Буренина Е.И. // Принципиальная электрическая схема установки для упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле. // Сборник РГСХА, 2005.

13. Борисов Г.А., Горохова М.Н., Буренина Е.И. // Совмещение процесса восстановления и упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле с механической обработкой шлифовальным кругом. // Сборник РГСХА, 2005.

14. Борисов Г.А., Горохова М.Н., Буренина Е.И. //Устройство для наплавки ферромагнитных порошкообразных металлов. // Сборник РГСХА, 2005.

15. Борисов Г.А., Буренина Е.И., Горохова М.Н., Слугин М.М. //Электромагнитная наплавка внутренних поверхностей втулок. //Сборник научных трудов, посвященный 55-летию инженерного факультета РГСХА, Рязань, 2005.

9 5 4 5

РЫБ Русский фонд

2006-4 17874

г

I,

Аннотация

Условные обозначения

Введение

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Краткий обзор условий изнашивания сопряжений

1.2 Электрофизические способы упрочнения и восстановления деталей 17 ^ 1.3 Обзор достижений в области упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле, сущность метода и устройства для его реализации

1.4 Область применения метода

1.5 Цель и задачи исследований

Глава 2. Теоретическое обоснование процессов упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле

2.1 Влияние схемы полярности на процесс упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле

2.2 Теоретическое обоснование выбора состава смеси ферромагнитного порошка при восстановлении электроимпульсным способом

2.3 Основные технологические факторы и их влияние на прочностные характеристики упрочняемых поверхностей при восстановлении электроимпульсным способом 61 Выводы

Глава 3. Методика экспериментальных исследований 71 ^ 3.1 Методологическая схема и методика проведения исследований

3.2 Экспериментальная установка для реализации способа упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле

3.2.1 Электромеханический блок

3.2.2 Принципиальная электрическая схема установки

3.3 Методика дозирования ферромагнитного порошка

3.4 Исследование микроструктуры, микротвердости и зоны термического

9 влияния

3.5 Методика исследования износостойкости и усталостной прочности образцов

3.6 Исследование прочности сцепления наплавленного металла с основным

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований

4.1 Задачи исследования и выбор параметров откликов

4.2 Математическое планирование эксперимента. Влияние основных технологических факторов на удельный привес, коэффициент сплошности номинальной поверхности и коэффициент переноса материала ферропорошка

4.2.1 Влияние силы тока короткого замыкания и частоты вибрации полюсного наконечника на удельный привес

4.2.2 Влияние силы тока короткого замыкания и частоты вибрации полюсного наконечника на коэффициент сплошности металлопокрытия

4.2.3 Влияние силы тока короткого замыкания и частоты вибрации полюсного наконечника на коэффициент переноса ферроматериала

4.3 Исследование дозирования ферромагнитного порошка

4.4 Влияние состава порошковой смеси на качество металлопокрытия

4.5 Исследование микроструктуры, микротвердости и зоны термического влияния

4.6 Износостойкость и усталостная прочность металлопокрытия

4.7 Прочность сцепления наплавленного металла с основным материалом детали 121 Выводы

Глава 5. Технико-экономическое обоснование эффективности внедрения технологического процесса восстановления

5.1 Результаты стендовых и эксплуатационных испытаний, рекомендации по внедрению технологии восстановления деталей электроимпульсным способом в магнитном поле ферропорошками

5.2 Выбор объекта восстановления, обоснование и разработка технологического процесса восстановления опорных шеек распределительного вала 5.4 Экономическая эффективность Выводы Общие выводы Литература Приложение

Аннотация

Для поддержания огромного машинно-тракторного парка в работоспособном состоянии необходим комплекс мероприятий по систематическому техническому обслуживанию и ремонту машин. Известно, что в подавляющем большинстве детали выходят из строя не в результате поломок, а в результате износа лишь тонкого поверхностного слоя. Поэтому требования, предъявляемые к основному материалу детали и к ее поверхностному слою, должны быть различны. Валы ведущих колес, распределительные валы механизма газораспределения, сопряженные с подшипниками скольжения, изнашиваются в среднем на 0,2.0,8 мм. Детали с износами до 0,8 мм составляют 50.70% от общей номенклатуры деталей, подлежащих восстановлению.

Целью настоящей работы является повышение прочностных характеристик деталей типа «вал» путем разработки и внедрения новой технологии восстановления этих деталей ферропорошками в пульсирующем магнитном поле. В процессе работы проводились теоретические исследования закономерностей протекания электрофизических процессов в зоне нанесения порошка в пульсирующем магнитном поле. Для проведения лабораторных исследований была создана лабораторная установка. В процессе исследований определены оптимальные режимы восстановления и их влияние на качество сформированного металлопокрытия, а также разработан оптимальный состав смеси ферропорошка для реализации по указанному методу.

Производственные испытания показали работоспособность и эффективность использования предлагаемого метода, а сравнительный анализ экономических показателей определил экономический эффект от применения предлагаемого технологического процесса восстановления опорных шеек распределительных валов двигателей внутреннего сгорания.

Условные обозначения

В первой главе:

ФМП — ферромагнитный порошок;

ФП — ферропорошок;

МП — магнитное поле;

ЭИС — электроимпульсный способ;

БДУ- бункерное дозирующее устройство

Во второй главе:

Дфби— сдвиг фаз между виброперемещением полюсного наконечника и напряжением в цепи технологического тока; Л (рви ~ сдвиг фаз между магнитной индукцией и напряжением в цепи технологического тока; А1 — зазор между восстанавливаемой деталью и полюсным наконечником;

4?- воздушный промежуток между электромагнитной катушкой и полюсным наконечником; А и Ъ - размер большой и малой осей эллипсоида, м; Н— напряженность магнитного поля у верхней границы зерна, А/м; к — магнитная восприимчивость материала ферропорошка; ц - магнитная проницаемость материала ферропорошка, г/м; Яд — радиус упрочняемой детали, м; а — показания прибора в делениях шкалы; со — число витков измерительной рамки; площадь измерительной рамки, м ; Воет - остаточная индукция в рабочем зазоре; Вист - истинное значение магнитной индукции; а/ а.2 аз а4- условные обозначения схем полярности; (+), (^-электрическая полярность;

IV, Я-магнитная полярность; Д - зазор перед началом разряда; г - удельная длительность процесса, с/см ; <7 - величина расхода ферропорошка, г/с;

Т] - удельную длительность процесса при единичной ширине рабочей части полюсного наконечника, с/см; ql - величина расхода ферропорошка на единицу ширины рабочей части полюсного наконечника, г/с-см; с! - диаметр распределения материала ферропорошка на упрочняемой поверхности при единичном разряде, м;

В третьей главе:

Лд — радиус детали;

А — зазор между деталью и полюсным наконечником;

Ян- радиус вогнутости наконечника, мм;

ЭМ— электромагнитная катушка;

В] В2 Дз- тумблеры;

Р] - катушка магнитного пускателя;

К] К2- контакты;

Тр - трансформатор;

Д-диод;

Я1.Я9 - добавочные сопротивления; Рт - тепловое реле; вентиль; Рп - рабочий промежуток; А — амперметр; Шн — шунт; V— вольтметр; Г— генератор;

М - изгибающий момент в опасном сечении образца в кг-мм; и» - момент сопротивления образца в мм; Р - нагрузка, приложенная к образцу в кгс; - расстояние от точки приложения силы до ближайшей опоры, мм; D - диаметр образца, мм; Р - усилие штифта, кг;

Г- площадь сечения рабочей части штифта, мм; аэ - напряжение отрыва штифта на образце; а0 - напряжение отрыва штифта контрольного образца;

В четвертой главе:

- привес экспериментального образца, мг;

Д и / - соответственно диаметр и длина образца, см; т/ - удельная длительность процесса при единичной ширине полюсного наконечника, с/см;

- величина расхода ферропорошка в единицу времени на единицу ширины полюсного наконечника, г/с-см;

- часть площади номинальной поверхности, на которой имеются микронеровности, полученные шлифованием;

8Ш - площадь номинальной поверхности; рр и /¡поп - размеры, \ - й лунки, соответственно в продольном и поперечном правлениях; с1э- усредненный эффективный диаметр лунки, см; р - плотность расположения лунок. 1/см ; £ я - суммарная площадь проекции лунок, мм2;

К - коэффициент, учитывающий проектирование цилиндрической поверхности на плоскость; У1 - удельный привес, мг/см ;

У 2 - коэффициент сплошности номинальной поверхности, %; Уз - коэффициент переноса материала ферропорошка, %; <7 — величина расхода ферропорошка, г/мин; Я - величина добавочного сопротивления, Ом; С - производительность процесса, мм /с; F — площадь упрочнения, мм2; Уд ~ окружная скорость детали-пр, м/с; £ - продольная подача, мм/об; / - сила тока, А; и - рабочее напряжение источника, В; Уд - окружная скорость детали, м/с; т - удельная длительность, с/мм ;

С - производительность процесса, см /мин; А — наплавка смесью ФМП — 2; В — наплавка смесью ФМП - 3; С — нормализованная сталь 45.

В пятой главе:

ЗП—заработная плата производственных рабочих;

М - затраты на приобретение ремонтных материалов; ОПУ— затраты связанные с реорганизацией производства и управлением; РФ — стоимость ремонтного фонда;

ЗПо — основная заработная плата производственных рабочих;

ЗПд — дополнительная заработная плата производственных рабочих; Нее — отчисления на соцстрах;

Тер — трудоемкость восстановления одного распределительного вала, чел.час;

Счас — средняя часовая тарифная ставка рабочих, руб./час;

Кт — коэффициент, учитывающий доплату к основной заработной плате.

Т1.Т8 — нормо-часы на восстановление распределительного вала по отдельным разрядам; Сч 1.Сч8 — часовые тарифные ставки для соответствующих разрядов; Кд -коэффициент дополнительной заработной платы; Кс — коэффициент начисления по соцстраху; Цр - цеховые расходы; Охр — общехозяйственные расходы; ВПр — внепроизводственные расходы; Пр — прочие расходы;

Кзп- процент цеховых и общепроизводственных расходов;

Сд — вес распределительного вала, кг;

Цм — стоимость одного кг металлолома для переработки;

Р"м, Р'м- соответственно измененная по годам расчетного периода стоимостная оценка предлагаемого и базового вариантов, руб.; 3"м, З'м- стоимостная оценка затрат на осуществление мероприятий по предлагаемому и базовому вариантам, руб; Ци — цена единицы продукции с учетом эффективности ее применения; Ц/2 — цена единицы продукции с учетом эффективности ее применения базовая технология); NB2, Nbi - годовая программа восстановления; а tx ? а t2- коэффициент приведения к расчетному году по предлагаемому и базовому вариантам; tu, t/r начальный и конечные годы расчетного периода; Е„ - норматив приведения разновременных затрат и результатов; tp- расчетный год; t - год, затраты которого приводят к расчетному. " текущие издержки при производстве продукции в году без учета амортизационных отчислений на реновацию по предлагаемому и базовому вариантам;

К ,2 , Кti единовременные затраты при использовании продукции в году;

А t2 , A,t - остаточная стоимость (ликвидационное сальдо) основных фондов по предлагаемому и базовому вариантам в год t; С„ - полная себестоимость восстановления распределительного вала; N- программа ремонта;

Kt - стоимость оборудования, необходимого для осуществления технологического процесса. На—5,6% - средняя норма амортизационных отчислений; КТР - эффективность передовых ресурсов

Су- стоимость установки для нанесения ферропорошка в магнитном поле электроимпулымбом; Сг-оимь ановки для наплавки подоем фл; Ст -оимь токарно-винторезногоанка; Сш.к. -оимь круглошлифовальногоанка; СдР -оимь измерительного ирумента, ки, режущего ирумента;

Св2, СвI - стоимость оборудования с учетом износа в процессе эксплуатации;

Цм.л. - стоимость одной тонны лома и отходов для переработки; Тоб- общая трудоемкость восстановления распределительного вала; ДО- программа восстановления;

Фд- действительный фонд времени одного рабочего.

Актуальной задачей современного ремонтного производства является осуществление практических мер по повышению надежности и долговечности машин, оборудования и приборов. Надежность и долговечность деталей во многом определяются состоянием их поверхностного слоя. Известно, что в подавляющем большинстве детали выходят из строя не в результате поломок, а в результате износа лишь тонкого поверхностного слоя. Поэтому требования, предъявляемые к основному материалу детали и к ее поверхностному слою, должны быть различны.

Обеспечение равнопрочности и износостойкости восстановленных деталей является важнейшей задачей в техническом перевооружении сельскохозяйственного ремонтного производства. Решение ее позволит сократить номенклатуру и объем запасных частей, значительно повысить ресурс машин после капитального ремонта. Особенно актуальна эта проблема для деталей типа «вал» с малыми величинами износа, занимающих особое место в ремонтном производстве. Восстановление их известными способами ограничивается:

- термическим разупрочняющим воздействием на материал основы;

- потерями металла и дорогостоящих компонентов, уходящих в стружку;

- необходимостью дополнительной операции - термической обработки.

Одно из направлений в решении этой проблемы является разработка новых технологических процессов нанесения тонкослойных высокопрочных покрытий на основе металлических порошков, порошков - сплавов и тугоплавких соединений. К числу прогрессивных методов создания поверхностного слоя с заданными физико-химическими свойствами относятся электроискровое легирование и упрочнение деталей ферропорошками в магнитном поле. Эти два метода имеют много общего в физической природе происходящих явлений, но имеют и ряд специфических особенностей, отличающих их друг от друга. Они практически не требуют специальной подготовки поверхности перед упрочнением; оборудование для их реализации малогабаритно и просто в обслуживании; созданный поверхностный слой имеет высокую прочность сцепления с основным материалом детали, обладает высокой прочностью и износостойкостью.

Процесс упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле легко механизируется и автоматизируется. Изготовление ферромагнитного порошка требуемого химического состава в большинстве случаев более экономично, чем изготовление жесткого электрода для электроискрового легирования. В настоящее время имеется значительный опыт по разработке и практическому использованию этого способа при упрочнении деталей машин. Получаемые покрытия с небольшим припуском на механическую обработку и высокой прочностью сцепления при низкотемпературном воздействии на основу определяют его особую перспективность. Однако высокая шероховатость и пористость наносимых слоев ограничивают его применение в восстановительных технологиях. В связи с этим, дальнейшее исследование электроимпульсного способа с целью получения плотных металлопокрытий при восстановлении деталей является актуальной задачей.

Для решения этой задачи необходима оптимизация основных параметров формирования качественного слоя: согласованность во времени количества подводимой электрической энергии с подачей материала в рабочую зону; применение метода рационального легирования; создание условий, наиболее благоприятных для протекания процесса формирования слоя. Данная работа направлена на реализацию указанных принципов при разработке и исследовании технологии восстановления деталей сельскохозяйственных машин. Это дает возможность предложить некоторые материалы для научного подхода к выбору и обоснованию основных параметров получения качественных высокоизносостойких металлопокрытий электроимпульсным способом.

В результате исследований предложен способ дозирования ферромагнитных порошковых материалов с использованием в качестве дозатора — бункерного дозирующего устройства вибрационного типа. Настоящая работа посвящена разработке более совершенного по стабильности и производительности способа упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле, технологии и устройства для его реализации, исследованию технологического процесса, разработке научно обоснованных рекомендаций по промышленному использованию процесса и его внедрению в производство.

В работе защищается:

1. Способ получения износостойкого покрытия, путем нанесения ферромагнитного порошка в пульсирующем магнитном поле.

2. Закономерности протекания электрофизических процессов в зоне нанесения порошка.

3.Результаты исследований основных режимов нанесения ферромагнитного порошка в пульсирующем магнитном поле, структура, механические свойства нанесенного слоя и технико-экономические показатели процесса.

4. Технологический процесс восстановления опорных шеек распределительных валов двигателей внутреннего сгорания.

Общие выводы

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлена целесообразность применения метода восстановления деталей типа «вал» ферропорошками в магнитном поле, на основе чего предложена новая технология восстановления опорных шеек распределительного вала механизма газораспределения двигателей внутреннего сгорания. Разработанный процесс восстановления и упрочнения деталей является высокостабильным и обеспечивает повышение производительности в 1,4-1,7 раза при увеличении удельного привеса в 1,4 — 2,0 раза и коэффициента переноса материала ферропорошка в 1,4 раза по сравнению с существующими процессами восстановления и упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле. Таким образом, поставленная в работе цель достигнута.

2. Рассмотрение схем полярности в процессе восстановления и упрочнения деталей типа «вал» ферропорошками в магнитном поле как комплексного фактора, учитывающего взаимную направленность векторов тока разряда, магнитной индукции и ее градиента, наиболее полно отвечает сущности процесса. В зависимости от предпочтительного технологического результата процесс можно осуществлять по одной из четырех схем полярности. Формирование элементарного участка поверхностного слоя «катода» происходит при четырех-пятикратном воздействии электрических разрядов. В результате действия последующих разрядов наблюдаются микротрещины в восстановленном слое. Увеличение силы тока короткого замыкания от 150 до 300 А приводит к увеличению переноса материала ферропорошка на поверхность образцов катода, толщины поверхностного слоя и к снижению микротвердости. Наибольший перенос материала ферропорошка на поверхность образцов «катода» происходит при величине магнитной индукции 0,18.0,31 Т.

3. Экспериментально доказано, что наилучшие качества слоя получены при использовании смеси с содержанием легирующих элементов: С-4%, Сг-36%, Ni-24.25%, Fe-25.28%. Наибольшее влияние на плотность покрытия оказывает процентное содержание никеля, затем величина процентного содержания углерода, а наименьшее - процентное содержание хрома. Повышение содержания никеля от 12 до 24% сопровождается повышением плотности наносимого слоя. На толщину покрытия наибольшее влияние оказывает процентное содержание углерода, затем никеля и наименьшее - хрома. Характер распределения микротвердости по длине наплавленного образца неравномерный, однако, с увеличением процентного содержания углерода и хрома микротвердость увеличивается, а при увеличении никеля снижается.

4. Предложенное бункерное дозирующее устройство отвечает в полной мере одному из необходимых условий реализации процесса, а именно равномерной во времени и по ширине рабочей части полюсного наконечника подаче ферропорошка в рабочую зону. Согласно полученному уравнению можно утверждать, что величина минутного расхода ферропорошка не зависит от его массы в накопителе. Также по этому уравнению могут быть рассчитаны величины добавочных сопротивлений, обеспечивающих требуемые значения расхода ферроматериала.

5. Создана математическая модель технологического процесса при его реализации по предложенному способу. Исследовано взаимное влияние основных технологических факторов процесса (начального зазора, приращения зазора, тока короткого замыкания, расхода ферропорошка и частоты вибрации полюсного наконечника) на формирование упрочненного слоя (удельный привес, коэффициент сплошности номинальной поверхности и коэффициент переноса материала ферропорошка). Рекомендуемые режимы процесса упрочнения деталей по предложенному способу л обеспечивает удельный привес детали 15,84-26,59 мг/см при производительности 69-85 см /мин и коэффициенте переноса материала ферропорошка до 17,4%.

6. Производственными испытаниями установлено, что восстановление опорных шеек распределительного вала ферропоршками в магнитном поле электроимпульсным способом обеспечивает повышение их ресурса в 1,5 раза по сравнению с существующими процессами восстановления и упрочнения деталей ферропорош-ками в магнитном поле, при этом экономический эффект от внедрения разработанной технологии составляет 177 тыс. рублей на программу 60 тысяч штук в год.

1. Барский И.Б., Колодий Ю.К., Юй Жуихуа. // Максимальные динамические нагрузки в трансмиссии колесного трактора.- Тракторы и сельхозмашины, 1965, №4.

2. Доценко Н.И. // Восстановление автомобильных деталей сваркой и наплавкой. М.: Транспорт, 1972. - 351с.

3. Жуков В.В. // Ремонт машин инженерного вооружения, М.: ВИА, 1969, 320 с.

4. Дорожкин H.H. // Упрочнение и восстановление деталей машин металлическими порошками. Дис. . д-ра техн. наук. Минск, 1975.

5. Костецкий Б.И. //Трение, смазка и износ в машинах. — Киев: Техника, 1970. — 395 с.

6. Крагельский И.В. //Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. — 480с.

7. Петров Ю.Н. // Основы ремонта машин. М.: Колос, 1972. - 527 с.

8. Ульман И.Е. // Ремонт машин. М.: Колос, 1967.

9. Кряжков В.М., Баранов Ю.Н., Буйлов К.Н. и др. // Восстановление деталей сельскохозяйственной техники механизированной наплавкой с применением упрочняющей технологии. М.: ГОСНИТИ, 1972. - 208 с.

10. Лившиц Л.Г., Поляченко A.B. // Восстановление автотракторных деталей. — М.: Колос, 1966.-479 с.

11. Кряжков В.М. // Научные основы восстановления работоспособности сопряжений деталей сельскохозяйственных тракторов с применением металлопокрытий и упрочняющей технологии. — Дис. д-ра техн. наук. — Л.,

12. ДШко A.A. // Исследование фреттингпроцесса в условиях работы сопряжений сельскохозяйственных машин: Автореф. Дис. . канд. техн. наук. — Киев, 1972.

13. Кугель Р.В. // Статистические характеристики распределения ресурсов шарикоподшипников. Вестник машиностроения, 1971, №3, с. 9 - 12.14