автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологии нанесения и тангенциального точения наплавочных покрытий рабочих поверхностей деталей с обоснованием рациональных режимов

На правах рукописи

Мешков Владимир Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ И ТАНГЕНЦИАЛЬНОГО ТОЧЕНИЯ НАПЛАВОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ С ОБОСНОВАНИЕМ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов-2012

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Виноградов Александр Николаевич

Официальные оппоненты: Королев Альберт Викторович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», заведующий кафедрой технологии машиностроения

Данилов Юрий Степанович кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова, кафедра технологии машиностроения и конструкционных материалов

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Камская государственная

инженерно-экономическая академия», г. Набережные Челны

Защита состоится «31» мая 2012 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77, корпус 1, аудитория 319/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им, Гагарина Ю.А.»

Автореферат размещен на сайте ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» www.sstu.ru « 2. О^ апреля 2012 г.

Автореферат разослан « » апреля 2012 года.

Ученый секретарь а

диссертационного совета У! ^ А. А. Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях истощения сырьевых ресурсов, экологических и социально-экономических затруднений особую значимость обретают ресурсосберегающие технологии, которые все чаще сопровождаются освоением методов наплавки, вследствие чего очень важным становится восстановление наплавкой наиболее дорогостоящих ресурсоопределяющих деталей машин и механизмов, которые подвержены наибольшему износу в процессе их эксплуатации.

В частности, такими деталями для мощных дизелей, например «Cummins» и «Perkins 4016-TAG мощностью 1263 кВт», являются коленчатые валы. Такие дизели устанавливают на дизель-электростанциях, способных давать энергию для освещения небольшого поселка. При этом стоимость восстановления такого коленчатого вала составляет 30% от стоимости нового, а ресурс соответственно составляет от 70 до 80% ресурса нового вала. При этом имеются различные способы повышения ресурса за счет применения дополнительных технологических воздействий, в том числе трибологических.

Наплавкой с получением заданных состава и свойств, а также особенностями последующей обработки, занимались такие ученые как Наливкин В.А., Казаков Ю.Н., Попандопуло В.В., Ковтунов А.И., Сидоров В.П. и др. Труды этих ученых актуальны и сейчас, проблемы, которые в них рассматривались, полностью не решены. Получение высокой твердости наплавленных покрытий связано с увеличением возникающих напряжений в металле шва, а также из-за специфики формы наплавленного покрытия, осложнением применения стандартных методов механической обработки. Решением данных задач являлось применение термической либо механической обработки совместной с процессом наплавки, что усложняло и удорожало весь процесс восстановления в целом. Предлагаемая технология нанесения наплавочных покрытий исключает применение дополнительных операций, позволяющих изменить состав и свойства наплавленного слоя, например, увеличения поверхностной твердости, с 28-32 HRC3 до 55-60 HRC3. Вопрос последующей механической обработки решается применением тангенциального точения, позволяющего снимать большие припуски за один проход, а также исключить из техпроцесса операцию шлифования, так как шероховатость после тангенциального точения Ra = 0,63-1,25 мкм, соответствует шероховатости финишной обработки.

Применение предлагаемого способа наплавки возможно для восстановления шлицевой части валов трансмиссии тракторов иностранного производства, таких как VALTRA, тракторов отечественного производства TERRION, использующих аналогичную трансмиссию. В процессе наплавки введение присадочной проволоки из бронзы позволит получить износостойкое покрытие.

В данной работе разработан способ наплавки под слоем флюса, а также исследован процесс влияния режимов подачи присадочной проволоки на состав и свойства наплавленного слоя, в том числе микротвердость по глубине наплавочного покрытия, определяющая твердость после обработки. Получена действенная инструментальная методика, позволяющая рассчитать режимы обработки деталей с наплавленными металлопокрытиями при тангенциальном точении. Все вышесказанное и обусловливает актуальность темы диссертации.

Цель - совершенствование технологии нанесения и тангенциального точения наплавочных покрытий рабочих поверхностей деталей с обоснованием рациональных режимов для получения исходных параметров качества поверхности заготовки.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Разработать технологию нанесения и тангенциального точения наплавочных покрытий рабочих поверхностей деталей способом наплавки, позволяющим варьировать твердостью наплавочного покрытия в пределах 52-65 НЯСэ с последующей финишной обработкой методом тангенциального точения и получением шероховатости Яа = 0,63-1,25 мкм.

2. Разработать модель влияния факторов эксперимента на состав и свойства наплавленного слоя с применением нового способа наплавки, а также выявить механизмы и закономерности распределения присадочного материала в наплавленном слое при различных режимах подачи присадочной проволоки с использованием традиционных и современных методов исследования состава и свойств поверхностного слоя.

3. Обосновать рациональные технологические режимы процесса тангенциального точения для деталей с наплавленными металлопокрытиями и провести экспериментальную проверку эффективности предлагаемого способа и режимов для подачи присадочной проволоки при наплавке под слоем флюса.

4. На основе результатов исследований дать практические рекомендации по использованию предложенного способа наплавки и последующей финишной обработке с технико-экономической оценкой эффективности внедрения в производство.

Научная новизна:

1. Предложена и обоснована технология нанесения и тангенциального точения наплавочных покрытий рабочих поверхностей деталей на основе рациональных режимов наплавки с подачей дополнительной изолированной присадочной проволоки, позволяющая варьировать механическими свойствами наплавленного слоя: микротвердостыо по глубйне наплавленного слоя и поверхностной твердостью наплавочного покрытия с последующей финишной обработкой тангенциальным точением. Технология позволяет получать исходные параметры рабочих поверхностей наряду с повышением производительности процесса за счет упразднения операций: токарно-винторезной, круглошлифовальной и упрочняющей.

2. Разработана модель процесса изменения микротвердости наплавленного слоя от концентрации присадочного материала, зависящей от: расстояния между основным электродом и присадочной проволокой, скорости подачи присадочной проволоки, места введения присадочной проволоки (в головную или хвостовую часть наплавочной ванны). Определены рациональные режимы введения дополнительной присадочной проволоки, для обеспечения требуемой твердости покрытия: при введении в хвостовую часть наплавочной ванны подача присадочной проволоки 2,7 м/мин на расстоянии 3,5 мм от основной проволоки при минимальном значении угла, ограниченного возможностями дополнительного подающего механизма.

3. Обоснованы: способ финишной обработки твердого наплавочного покрытия тангенциальным точением с определением оптимальных режимов обра-

ботки: частоты вращения детали, глубины резания и подачи инструмента, и применение многорезцового тангенциального инструмента, позволяющего производить обработку за одну операцию, с получением шероховатости поверхности сравнимой с шероховатостью после операции шлифования.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием положений: технологии машиностроения, физики твердого тела, теории вероятностей и математической статистики, методов моделирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования наплавленных слоев проводились в лабораторных условиях с обработкой результатов экспериментов статистическими методами с использованием современных измерительных средств и компьютерных технологий в научных лабораториях СГТУ имени Гагарина Ю.А. и в СГУ имени Н.Г. Чернышевского.

На защиту выносятся:

1. Технология нанесения и тангенциального точения наплавочных покрытий рабочих поверхностей деталей способом наплавки, позволяющим варьировать твердостью наплавочного покрытия в пределах 52-65 Н1^Сэ, и последующая финишная обработка методом тангенциального точения с получением шероховатости Яа = 0,63-1,25 мкм.

2. Модель и закономерности процесса изменения микротвердости наплавленного слоя в зависимости от концентрации присадочного материала.

3. Способ наплавки с подачей дополнительной изолированной присадочной проволокой, позволяющий варьировать свойствами наплавленного слоя.

4. Рациональные технологические режимы процесса тангенциального точения для деталей с наплавленными металлопокрытиями.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработана технология обработки металлопокрытий, полученных способом наплавки под слоем флюса, позволяющим изменять режимы подачи присадочной проволоки (патент №2403138-10.11.2010).

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы на предприятиях, специализирующихся на ремонте и восстановлении деталей и агрегатов транспортной и сельскохозяйственной техники, а также технологического оборудования. Опытный образец наплавочной головки с дополнительным подающим механизмом для заземленной присадочной проволоки прошёл апробацию в условиях НТЦ «Механик-Т», лаборатории кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» СГТУ имени Гагарина Ю.А. Для ЗАО «Агротехмаш» - производителя современной тракторной техники был восстановлен шлицевой вал трансмиссии. Положения и результаты внедрены в научную и проектную деятельность Научно-внедренческого центра Международного исследовательского института, а также в учебный процесс СГТУ имени Гагарина Ю.А. по дисциплинам «Основы технологий производства и ремонта автомобилей» и «Технология и организация восстановления деталей и сборочных единиц при сервисном обслуживании».

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на:

1. II Международной научно-практической конференции «Экономика и технологии: инновации и модернизация» (Чехов, Московская обл., 2011).

2. Всероссийской научно-практической конференции «В мире научных открытий» (Красноярск, 2010).

3. VI Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» ( Липецк, 2012).

4. Ежегодных конференциях кафедры «Автомобили и автомобильное хозяй-сгпо» СГТУ: «Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин» (Саратов, 2008-2010).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, получен патент РФ на способ восстановления наплавкой поверхностей деталей №2403138.

Структура и объём работы. Текст диссертационной работы изложен на 135 страницах компьютерного текста и состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы, включающего 125 наименований, и приложений. В работе содержатся 72 рисунка и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава посвящена обзору существующих технологий восстановления деталей наплавкой с дальнейшей механической обработкой. Установлено, что основные исследования процесса наплавки посвящены следующим целям: повышение качества наплавленного металла, расширение возможности легирования, увеличение производительности наплавки, снижение её стоимости и трудности последующей обработки. Для достижения вышеуказанных целей применяются различные способы наплавки: с различными защитными флюсами в смеси с ферросплавами, порошковой проволокой, колеблющимся электродом, порошкообразными смесями, наплавка лентой, наплавка лежачим электродом, многоэлектродная наплавка, наплавка, совмещенная с процессом обработки, и т.д. Все достоинства и недостатки данных способов наплавки были описаны в трудах российских ученых: Н.Г. Славянова, H.H. Дорожкина, И.И. Фрумина, Н.И. Доценко, Ю.А. Юзвенко; американского изобретателя Уильяма Р. Глизона, английского Дуггана С.К., японского Саккума Кейцо и др. Широко известны в этой области труды В.А. Наливкина, Ю.Н. Казакова, А.И. Ковтунова и др. Обзор существующих способов наплавки и анализ методов, применяемых для улучшения состава и свойств наплавленного покрытия, выявил ряд существенных недостатков, например: сепарация при пересыпаниях флюса и сильная зависимость состава металла от режима наплавки вызывают в металле неоднородность. Вышеперечисленные ученые также занимались исследованиями в области обработки наплавленных металлопокрытий. В основном труды посвящены лезвийной обработке, совмещенной с процессом наплавки, либо механической обработке, которой предшествует термическая обработка, для снижения твердости наплавленного покрытия. Дополнительная оснастка, сложность выполнения процесса и применение термической обработки сильно удорожали процесс восстановления и сводили практически к нулю все преимущества восстановления деталей наплавкой.

В значительной степени качество наплавленного слоя определяют: измельчение структуры, уменьшение зоны термического влияния, уменьшение удельного тепловложения, а следовательно, снижение внутренних напряжений и деформаций после наплавки. Введение изолированной присадочной проволоки в определенное место наплавочной ванны способствует отбору теплоты и, как

следствие, уменьшению зоны термического влияния, снижению внутренних напряжений. Элементы присадочной проволоки легируют металл шва. Получив достаточно твердое металлопокрытие (до 65 Н1*Сэ), учитывая специфику формы, задачу механической обработки предлагается решить, применив тангенциальное точение. Данный вид обработки позволяет снимать большой припуск за один проход, повысить стойкость инструмента за счет большого числа резцов, а также их материала (ВК2 и др. с покрытием нитридом титана, ВК6), исключить из техпроцесса операцию шлифования.

Для достижения поставленной цели и разработки научно обоснованных конструкторско-технологических рекомендаций по совершенствованию процесса восстановления деталей наплавкой под слоем флюса с подачей дополнительной заземленной присадочной проволоки с последующей финишной обработкой тангенциальным точением сформулированы соответствующие задачи.

Во второй главе представлено сравнение существующего технологического процесса нанесения и обработки наплавочного покрытия с предлагаемым технологическим процессом (табл. 1).

Таблица 1

Сравнение технологических процессов

Нанесение и обработка наплавочного покрытия на шенки коленчатого вала с получением твердости 45-50 НЯСэ

основные операции существующего технологического процесса основные операции предложенного технологического процесса

Наплавочная Наплавочная с подачей изолированной присадочной проволоки

Термическая (нормализация) -

Токарно-винторезная Финишная на основе тангенциального точения

Круглошлифовальная

Термическая (закалка ТВЧ) -

Контрольная Контрольная

Предложенный технологический процесс нанесения наплавочного покрытия позволяет исключить следующие операции: термическую, токарно-винторезную, круглошлифовальную и упрочняющую, так как твердость наплавочного покрытия, при наплавке с подачей дополнительной изолированной присадочной проволоки на основе алюминия, находится в пределах 45-50 Н1*Сэ, а применение последующей обработки методом тангенциального точения, позволяет получить шероховатость поверхности сравнимую с шероховатостью после шлифования порядка Яа = 0,651,25 мкм.

Проводится анализ предварительных экспериментов, рассматриваются методики и оборудование, применяемое при экспериментах, а также при исследовании наплавленных слоев. Разрабатывается методика эксперимента.

Предложена конструкция наплавочной головки с двумя дополнительными подающими механизмами, позволяющими подавать присадочную проволоку как в головную, так и в хвостовую часть наплавочной ванны под заданным углом и с заданным расстоянием относительно основного электрода. На рис. 1 изображе-

на схема подачи проволок при наплавке тремя проволоками, основной и двумя присадочными (вид сбоку). I - основная проволока; 2 - присадочная проволока; 3 - деталь; 4 - флюс; Уосн - скорость подачи основной проволоки; Упр - скорость подачи присадочной проволоки; Удет - скорость вращения детали; а - угол между основной проволокой и передней присадочной; а' - угол между основной проволокой и задней присадочной; у - расстояние между основной проволокой и передней присадочной; х - расстояние между основной проволокой и задней присадочной.

Данный способ позволяет получить наплавленный слой с заданными физико-механическими свойствами.

Изменяя расстояние между основной и присадочной проволокой, можно регулировать температуру, под которой будет расплавляться присадка и, следовательно, ее содержание в наплавленном шве. Угол, под которым подается присадочная проволока, влияет на количество присадки в наплавленном слое. От ориентации присадки, а также ее количества, зависит перемешивание присадочного материала. Увеличение скорости подачи присадочной проволоки приводит к увеличению содержания материала присадки в наплавленном слое и к большему отбору теплоты от сварочной ванны.

В качестве параметров оптимизации могут выступать следующие: поверхностная микротвердость Нц, твердость по Роквеллу (НЯСЭ), шероховатость Яа, волнистость W, некруглость А. Так как после наплавки деталь подвержена механической обработке, то параметры шероховатость, волнистость и некруглость в качестве параметров оптимизации не актуальны. Поскольку поверхностная микротвердость напрямую связана с твердостью, а твердость покрытия одно из наиболее важных требований предъявляемых к деталям, которые планируется восстанавливать, предлагаемым способом наплавки, то микротвердость можно выбрать в качестве параметра оптимизации. В результате предварительных экспериментов и анализа данных литературных источников выяснено, что эти параметры зависят от многих факторов. В качестве основных факторов могут быть выделены следующие: материал плавящегося электрода Мэ, материал присадки Мп, скорость подачи присадочной проволоки Уп м/мин, расстояние между электродами Ь мм, угол наклона присадочной проволоки относительно основной проволоки (ОП) а0, место расположения присадочной проволоки относительно плавящегося электрода в головную или хвостовую часть наплавочной ванны.

Наплавка проводится под слоем флюса наплавочной головкой с дополнительным боуденом и подающим механизмом, полностью изолированным от тока. Материалы проволок не изменяются в процессе эксперимента: основной электрод ЗОХГСА, присадка на основе алюминиевой проволоки Скорость

Рис. I. Схема подачи проволок при наплавке тремя проволоками

подачи ОП и сила тока также не изменяются на протяжении всего эксперимента. Место расположения присадочной проволоки (ПП) в процессе эксперимента может быть либо в головную (ГЧВ), либо хвостовую часть (ХЧВ) сварочной ванны при прочих других переменных факторах, поэтому этот фактор будет учтен при проведении многофакторных экспериментов.

Окончательно в качестве факторов, влияющих на поверхностную микротвердость Нц для подачи присадочной проволоки в ГЧВ и ХЧВ, выбираем:

• Расстояние между электродами Ь мм

• Угол наклона присадочной проволоки а0

• Скорость подачи присадочной проволоки V м/мин

При проектировании инструмента и технологического процесса тангенциального точения необходимо задавать такие углы заточки переднего угла у и заднего угла а (рис. 2), которые при трансформации в процессе резания не будут принимать отрицательные и нулевые значения. При этом передний угол у необходимо принимать максимально возможной величины, исходя из условий прочности режущего инструмента, а задний угол а не должен способствовать возникновению трения на задней поверхности режущей части инструмента от контакта с обрабатываемой поверхностью заготовки.

Основной задачей экспериментальных исследований по обработке являлось изучение влияния технологических факторов на качество деталей с наплавочными металлопокрытиями, обработанных способом тангенциального точения. Поэтому в качестве функции отклика выступал параметр качества обработанной поверхности, а именно шероховатость обработанной поверхности. В качестве технологических факторов были выбраны: частота вращения детали, величина подачи инструмента и припуск, снимаемый резцом за один проход.

Эксперименты проводились в лаборатории СГТУ имени Гагарина Ю.А.

В третьей главе представлены результаты проведенного математического моделирования процесса изменения микротвердости наплавленного слоя в зависимости от концентрации присадочного материала.

Как показывает анализ данных предварительных экспериментов, микротвердость и твердость наплавленного слоя прямо пропорционально зависят от концентрации присадочного материала. В соответствии с этим предложена зависимость микротвердости от концентрации вещества присадки; представим ее в виде формулы

Нц = ас, (1)

где Нц - микротвердость наплавленного слоя, МПа\ а - безразмерный коэффициент; С - концентрация присадочного материала, %.

Рис. 2. Углы резания при обработке

Из литературных источников (ВН. Волоченко, В.М. Ямпольский, В.А. Винокуров и др.) известно, что количество легирующего элемента в жидкой фазе на границе сплавления определяется следующей зависимостью:

С = С„[^ехр(-^)+1], (2)

где С0- исходная средняя концентрация (до 1%);

к0 - коэффициент распределения (к0<1) для большинства сплавов;

х - расстояние от точки начала кристаллизации, см\

v4, - скорость кристаллизации, с м/с;

Dx - коэффициент диффузии примеси в жидкости;

Из формулы (2) видно, что концентрация экспоненциально зависит от скорости кристаллизации. Наглядно покажем, как скорость кристаллизации зависит от размеров наплавочной ванны.

В соответствии с данными, полученными из литературы, известно:

кр

FO2

(3)

где V - скорость наплавки;

ОМ и ОИ - длина полуосей наплавочной ванны;

ь

* = ■

(4)

Рис. 3 Слема сварочной ванны

Я

где ку - коэффициент полуоси <Ж Наглядно это можно представить на схеме (рис. 3).

В точке О подвод тепла, т.е. горит дуга, поверхность слева от оси у - хвостовая часть наплавочной ванны, справа от оси у - головная часть. При введении экзотермической присадки на расстоянии I отбор теплоты будет способствовать уменьшению полуоси ОМ и полуоси 014, это приведет к росту скорости кристаллизации. Также на этом примере можно объяснить следующее: при уменьшении расстояния I скорость кристаллизации не будет резко увеличиваться, так как при подаче присадки в хвостовую часть полуось ОМ уменьшается гораздо больше, чем полуось ОЫ, длина которой в формуле стоит в знаменателе. В то же время с уменьшением расстояния I резко возрастает температура и, как следствие, увеличивается выгорание присадочного материала.

Далее из существующих формул с применением математических преобразований окончательно получим формулы для определения микротвердости в следующем виде:

1. Для подачи присадочной проволоки в головную часть наплавочной ванны

Нц = аС0

1 -к0

fro

■ехр --

+ 1

Акг.ч. (ф(2тгЛЯ) + гяпр)

2. Для подачи присадочной проволоки в хвостовую часть наплавочной

(5)

Нц = аС0

1 - ко

ко

-ехр -

+1

(6)

°жх.ч. (ф(2тгЛД) + /Лпр)2 Для использования формул 5 и 6 при расчетах микротвердости и дальнейшего построения графиков по данным расчета, примем некоторые допущения.

Допущение первое: безразмерный коэффициент а = 250, в основу данного допущения легла микротвердость аустенита. Из литературы (О.Г. Зотов) известно, что легирование стали различными элементами влияет на область существования аустенита на диаграмме состояния. Так как при введении присадочной проволоки в наплавочную ванну происходит легирование металла шва, данное допущение является актуальным.

Допущение второе: исходная средняя концентрация С0 будет равняться концентрации материала присадочной проволоки, вводимой в наплавочную ванну, относительно основной С0„,,, которая выражается формулой

_ Г|?рУПр 100%

о Пр - 2 у ' \п

где гпр - радиус сечения присадочной проволоки, м;

Vnp - скорость подачи присадочной проволоки, м/мин;

госн - радиус сечения основной проволоки, м;

V0I;h - скорость подачи присадочной проволоки, м/мин;

После подстановки численных данных в формулу (7) можно определить, что С0нр будет изменяться в соответствии с изменением скорости подачи присадочной проволоки в пределах от 13,03 до 20,14 % при изменении скорости подачи от 1,1 до 1,7 м/мин соответственно.

Третье допущение: так как формула (2), взятая за основу для данного расчета, характеризует процентное содержание примеси в сплаве (легирующего элемента, специально не вводимого в сплав), ее необходимо преобразовать, так как в нашем случае присадочная проволока вводится специально в расплав, причем изолированно от тока (расплавляясь под действием температуры наплавочной ванны). Окончательно после преобразований формулы для расчета микротвердости шва будут иметь вид:

Микротвердость шва при подаче присадочной проволоки в головную часть наплавочной ванны:

Hlh.4. = аС0

i-kn

ко I Ож г.ч. (ф(2;гЛй) + /Япр)2

ч

1 + 1

(8)

Микротвердость шва при подаче присадочной проволоки в хвостовую часть наплавочной ванны:

W/ix.4. = аСо

1 -к0 I * Г-е/

0жх.ч. (Ф(2тгЛД) + 1ЛпрУ

+ 1

(9)

По указанным формулам построены поверхности отклика с использованием программы MathCAD Professional.

Рис. 4. Поверхности отклика, полученные теоретически а - при подаче присадочной проволоки в хвостовую часть наплавочной ванны, б - в головную часть

Графики на рис. 4 выявляют схожие закономерности: увеличение концентрации присадочного материала, так же как и увеличение расстояния между присадочной и основной проволокой, приводит к увеличению микротвердости. Поверхность на рис. 26 показывает, что микротвердость при подаче присадочной проволоки в головную часть ниже 5700 МПа, чем при подаче в хвостовую часть рис. 2а около 7000 МПа.

Таким образом, используя формулы 8 и 9 можно рассчитать микротвердость наплавленного слоя. Варьируя параметрами / - расстояние между присадочной и основной проволоками, скоростью подачи присадочной проволоки и как следствие С0 - начальной концентрации присадки, а также мощностью, скоростью наплавки, можно подобрать необходимую микротвердость.

Четвертая глава посвящена исследованию наплавленного слоя металлографическими методами. Здесь представлены результаты исследования микротвердости наплавленных слоев, по методикам, рассмотренным в главе 3.

Приведены результаты расчетов на ЭВМ, которые позволили получить параметры оптимизации процесса и в результате перехода от безразмерных моделей к логарифмическим получить интерполяционные модели, подставив в которые значения L, 1/cosa, и V построить графики зависимости микротвердости наплавленного слоя от технологических факторов процесса. Зависимости представлены в виде линейных моделей: Для подачи в хвостовую часть наплавочной ванны Ир,шхчв = 4531,9 + 173,9L - 145,4 + 191,1/ - 81.91. + (10)

Для подачи в головную часть наплавочной ванны Нцшхчв = 4294,1 + 82,4L - 67,4 ) + 145,1/ - 22,6L + 28.4LV (11) По результатам исследований и для дальнейшего анализа построены поверхности функций отклика для микротвердости шва Hpi,„. Графическое представление функции отклика можно изобразить в трехмерном пространстве при фиксированном значении одной из координат.

При анализе графиков поверхностей функций отклика обнаружено, что при подаче ПП в ХЧВ микротвердость шва при прочих равных условиях больше, чем при подаче ПП в ГЧВ. Это связано с тем, что температура в ГЧВ больше, чем в ХЧВ.

а 6

Рис. 5. Поверхности отклика при подаче присадочной проволоки в хвостовую часть а - при фиксированном минимальном значении расстояния между проволоками Ь = 0 мм; б - при максимальном = 3 мм

Из графиков (рис. 5) следует, что как при минимальном, так и при максимальном значении XI (расстояние между ОП и ПП), увеличение скорости подачи приводит к увеличению микротвердости; это связано с увеличением количества присадочного материала. Однако при увеличении угла наклона происходит обратное - микротвердость снижается. Это связано с тем, что при увеличении угла наклона ПП, увеличивается площадь подогрева присадочной проволоки и соответственно происходит большее выгорание присадочного материала. Как можно заметить из графиков, при минимальном значении расстояния между ОП и ПП есть особенность. С увеличением скорости подачи ПП (ХЗ), увеличение угла наклона дает небольшой прирост значения микротвердости, дело в том, что при высокой скорости подачи и большой температуре (самое близкое расположение присадочной проволоки) влияние угла слишком мало. При максимальном же значении расстояния, даже небольшой нагрев играет существенную роль.

На графиках (рис. 6) четко прослеживается ранее выведенная закономерность. С увеличением угла наклона ПП уменьшается микротвердость примерно на 100 150 МПа.

а б

Рис. 6. Поверхности отклика при подаче присадочной проволоки в хвостовую часть «а» при фиксированном минимальном значении І мм/сої угла наклона присадочной проволоки I мм/сое = 1 мм; «б» при максимальном 1 мм/сое = 1,5 мм

На графике (рис. 7) наглядно подтверждено, что с увеличением скорости подачи увеличивается микротвердость. Также подтверждена закономерность взаимосвязи угла наклона ПП и расстояния между ПП и ОП. При минимальном расстоянии влияние угла практически отсутствует, а при максимальном увеличение угла заметно снижает микротвердость.

а б

Рис. 7. Поверхности отклика при подаче присадочной проволоки в хвостовую часть а - при фиксированном минимальном значении скорости подачи присадочной проволоки V = 1,1 м/ мин; б - при максимальном V = 1,7 м/ мин

а б

Рис. 8. Поверхности отклика при подаче присадочной проволоки в головную часть а - при фиксированном минимальном значении расстояния между проволоками Ь = 0 мм; б - при максимальном Ь = 1,5 мм

Общая температура наплавочной ванны в головной части больше, чем в хвостовой, но площадь в разы меньше, из-за этого максимальное значение XI для подачи ПП в ГЧВ в два раза меньше, чем для хвостовой. Следовательно, картина влияния угла наклона ПП будет отлична от аналогичных режимов при подаче в ХЧВ. Из-за меньшей площади ванны уменьшается температурное влияние на присадочную проволоку и угол наклона ПП имеет большее значение для снижения микротвердости, как при минимальной скорости подаче, так и при максимальной.

а б

Рис. 9. Поверхности отклика при подаче присадочной проволоки в головную часть а - при фиксированном минимальном значении 1 мм/сое угла наклона присадочной проволоки 1 мм/со5 = 1 мм; б - при максимальном 1 мм/сое = 1,5 мм

а б

Рис. 10. Поверхности отклика при подаче присадочной проволоки в головную часть а - при фиксированном минимальном значении скорости подачи присадочной проволоки V = 1,1 м/ мин; б - при максимальном V = 1,7 м/ мин

Из наших предварительных исследований известно и экспериментально подтверждено, что твердость и микротвердость наплавленного слоя прямо пропорционально зависят от процентного содержания присадочного материала (алюминиевой проволоки), т.е. чем больше содержание алюминиевой проволоки, тем больше микротвердость и объемная твердость. При детальном исследовании результатов экспериментов нами была выдвинута гипотеза, что все вышеперечисленные факторы влияют на процентное содержание присадочного материала. Для того, чтобы проверить справедливость выдвинутой гипотезы, был проведен анализ процентного содержания алюминия в наплавленном слое. Для этих целей был использован метод вторичной ионно-ионной эмиссии (ВИИЭ).

На рис. 11 представлен спектр содержания алюминия, цифрами показаны номера образцов, параметры и режимы подачи присадочной проволоки указаны в табл. 2.

Таблица 2

Параметры наплавленных слоев в зависимости от режимов подачи присадочной проволоки

Номер опыта О Номер образца Ориентация при-садочноП проволоки Скорость подачи присадочной проволоки, м/ми»! Расстояние между электродом и присадочной проволокой, мм Процентное содержание присадоч-ноП проволоки, % Угол наклона присадочной проволоки, фа д. Твердость НИСэ Диаметр детали мм Толщина наплавленного слоя Мм

2(1) Спереди V» 1. 15 1,5 13,6 20 41 93.4 4

5(8) Спереди V = 1, 7 1.5 20 20 45 91.2 2,6

3(2) Спереди V = 1, 15 2 13,6 20 36 93,4 2,5

9(5) Сзади V = 1. 15 3 13,6 20 48 93,4 2,3

7(3) Сзади \= 1, 15 0 13,6 20 40 93.4 1.6

6(9) Сзади У= 1, 15 0 13,6 40 35 79,6 1,55

7(3) Сзади V = 1, 15 0 13,6 20 40 93,4 1,6

9(5) Сзади V = 1. 15 3 13.6 20 48 .93.4 2.3

Пользуясь табл. 2, можно сравнить показатели твердости и действительное содержание алюминия в образцах, приведенное на рис. 10.

Рвспрпйленн» А1

ОТ П»|М*ОШ<ОЙ эоны ПО К«ПЛ«ВЛ« ИНОГО СЛОЯ

I

/

ш

4 4,5

9р«ия оБ|)пяям, с

Рис. 11. Спектр содержания алюминия

Таким образом, во-первых, исследовано влияние факторов, определяющих формирование состава и свойств наплавленного слоя при наплавке под слоем флюса с подачей присадочной проволоки, изолированной от тока, что позволило выявить зависимость микротвердости от факторов эксперимента. Пользуясь этим, можно рассчитать необходимую твердость наплавленного покрытия в зависимости от значения факторов, возможно получение твердости в широких пределах - от 30 до 65 НЯСэ. Подбирая присадочный материал, возможно получение высоких эксплуатационных свойств.

Во-вторых, проведена экспериментальная проверка эффективности предлагаемого способа и режимов подачи присадочной проволоки при наплавке под слоем флюса, что подтвердило справедливость разработанной модели влияния режимов подачи присадочной проволоки на состав и свойства наплавленного слоя.

Пятая глава посвящена обоснованию применения тангенциального протягивания в качестве финишной обработки наплавленных металлопокрытий. Так как после наплавки предложенным способом поверхность получается достаточно твердой (45-50 НКСэ), встает вопрос обработки. В результате специфики геометрии формы наплавленного слоя при точении будут возникать ударные нагрузки. В связи с этим было принято решение рассмотреть возможные способы механической обработки. Наиболее распространенный способ: при черновой токарной обработке необходимо применять следующие материалы режущей части инструмента: твердые сплавы ВК2 и др. с покрытием нитридом титана, ВК6 и др. Для чистовой обработки закаленных сталей (40-67 НПСэ), применяют инструмент, режущая часть которого изготовлена из сверхтвердых материалов (СТМ). К этой группе относятся материалы на основе нитрида бора и алмазы.

Для уменьшения трудоемкости и времени механической обработки был предложен прогрессивный способ, основанный на тангенциальном точении. Главным достоинством тангенциального точения является повышенная точность обработки деталей за счет точности предложенной в способе настройки инструмента на размер. Так, размер обработанной поверхности изделия определяется высотой установки резца относительно оси шпинделя станка и не зависит от реакции рабочего. В то же время при переналаживании резца на разные размеры будет обязательно проигрыш в точности обработанного размера. Решением этой проблемы является использование для обработки поверхностей с большими припусками многолезвийного инструмента, или,

Рис. 12 Тангенциальное точение

другими словами, тангенциальных протяжек (рис. 12). Они позволяют снимать весь припуск за один проход, следовательно, повышается производительность, получать обработанную поверхность с шероховатостью = 1,250,63 мкм, что соответствует шлифованию, исключить из техпроцесса операцию шлифования и, следовательно, избежать шаржирования поверхности абразивом, что в дальнейшем влияет на эксплуатационные характеристики обработанных деталей, работающих в условиях трения.

Для обеспечения стабильности и экономической целесообразности процессов механической обработки деталей на металлорежущих станках необходимо задавать оптимальные технологические режимы обработки. Для решения этой задачи можно применить метод линейного программирования или симплекс-метод, позволяющий по заданным исходным параметрам процесса определить экстремальные параметры оценочной функции. Это можно проиллюстрировать на примере тангенциального точения наплавочных металлопокрытий.

В качестве критерия оптимальности была выбрана наименьшая себестоимость операции или машинное время, гак как режимы резания, обеспечивающие наименьшее машинное время, являются наиболее экономичными.

В качестве оценочной функции принято уравнение машинного времени за единицу длины резания:

где С - постоянный коэффициент, с =1/х,П\ 1 - глубина резания, мм; l/uj - длина резания, мм; л - частота вращения заготовки, мин"1; П - припуск на обработку, мм; S - подача, мм/об.

На основании неравенств технических ограничений и уравнения (12) выбран рациональный режим обработки. Оптимальные значения технологических режимов будут равны

п = еХ1°- =776,5л/нн~';5 = <?""" =0,09 мм/оби = е"',т =0,05 мм.

Технико-экономический анализ разработанных технологических решений и практической реализации предложенной технологии нанесения и обработки наплавочных покрытий на примере нанесения покрытия на шейки коленчатого вала 16-цилиндрового двигателя Perkins 4016 - TAG мощностью 1263 кВт.

Произведен расчет себестоимости технологического восстановления коленчатого вала, а также проведены маркетинговые исследования рынка. Выяснено, что валы больших размеров восстанавливают наплавкой с последующим упрочнением рабочих поверхностей либо азотированием, либо закалкой ТВЧ. Предприятие, способное азотировать шейки коленчатого вала Perkins, найдено не было, но установлено, что стоимость часа азотирования стоит порядка 1000 руб. плюс доставка и подготовка вала к азотированию. Крупнейшим в России предприятием, занимающимся ремонтом коленчатых валов корабельных дизелей, является ЗАО «Ремдизельмаш». Именно это предприятие одно из немно-

гих способно произвести закалку ТВЧ. По данным с этою предприятия, закалка одной шейки вала будет стоить порядка 200 тыс. руб., последующих - 20-30 тыс. руб. каждая. С учетом всех шеек вала Perkins общая стоимость упрочнения составит около 600 тыс. руб. без учета стоимости транспортных работ. Заводы ЗАО «Ремдизельмаш» в основном находятся в портовых городах: Владивосток, Хабаровск, Мурманск, Санкт-Петербург и др., самый ближайший к Саратову - в Коломне.

После сравнения стоимости существующих технологических процессов восстановления выбранного коленчатого вала и стоимости предложенного технологического процесса восстановления выявлено, что предложенный технологический процесс экономически выгоднее способа с применением азотирования более чем в 2,5 раза, а способа с применением закалки ТВЧ - в 9,2 раза при получении одинаковой поверхностной твердости наплавленных шеек.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа литературных данных и собственных исследований, посвященных методам получения наплавочных покрытий с заданными свойствами, выявлены механизмы и закономерности распределения присадочного материала в наплавленном слое при различных режимах подачи присадочной проволоки с использованием традиционных и современных методов исследования состава и свойств поверхностного слоя.

2. Разработана технология нанесения и обработки наплавочных покрытий рабочих поверхностей деталей способом наплавки, позволяющим варьировать твердостью наплавочного покрытия в пределах 52-65 НЫСэ с последующей финишной обработкой методом тангенциального точения с получением шероховатости Ra = 0,63-1,25 мкм.

3. Разработана математическая модель влияния факторов эксперимента на состав и свойства наплавочного покрытия. Исследовано влияние факторов, определяющих формирование состава и свойств наплавочного покрытия при наплавке под слоем флюса с подачей изолированной присадочной проволоки, что позволило выявить зависимость микротвердости от факторов эксперимента.

4. Обоснованы рациональные технологические режимы процесса тангенциального точения для деталей с наплавочными покрытиями: частота вращения детали п=776,5 мин'1, подача S=0,09мм/об, глубина резания t=0,05 мм.

5. На основе результатов исследований даны практические рекомендации по использованию предложенной технологии нанесения и обработки наплавочных покрытий с технико-экономической оценкой эффективности внедрения её в производство. Предложенная технология экономически выгоднее технологии с применением азотирования более чем в 2,5 раза, а технологии с применением закалки ТВЧ - в 9,2 раза при получении одинаковой поверхностной твердости наплавленных шеек.

6. Определены предельные режимы подачи присадочной проволоки: скорость подачи присадочной проволоки: минимум I м/мин, максимум 3 м/мин. Максимальное расстояние: для хвостовой части - 5 мм, а для головной - 2 мм.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1.Мешков В.В. Способ и устройство для восстановления наплавкой поверхностей тел вращения /А.Н. Виноградов, М.А. Лутахов, Д.В. Кузнецов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 2(45). С. 50-56.

2.Мешков В.В. Анализ результатов исследования образцов, наплавленных автоматической наплавкой под слоем флюса, с различными режимами подачи присадочной проволоки / А.Н. Виноградов, В.В. Мешков // Тяжелое машиностроение. 2011. №7. С. 2-7.

3.Мешков В.В. Результаты исследования микротвердости образцов наплавленных с различными присадочными проволоками / А.Н. Виноградов, Д.В. Кузнецов // В мире научных открытий. 2010. №6. Ч. 3. С. 112-119.

4.Мешков В.В. Моделирование процесса изменения микротвердости наплавленного слоя в зависимости от концентрации присадочного материала / В.В. Мешков// Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. №1(62). С. 51-60.

Патент

5.Патент РФ №2403138 Способ восстановления наплавкой поверхностей деталей / Виноградов А.Н., Лутахов М.А., Мешков В.В., Кузнецов Д.В. 10.11.2010.

Статьи в других изданиях

6.Мешков В.В. Экспериментальные исследования процессов на поверхности наплавленного слоя /А.Н. Виноградов, Д.В. Кузнецов // Совершенствование технологий и организации обеспечения .работоспособности машин: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С. 26-30.

7.Мешков В.В. Восстановление автомобильных деталей механизированной наплавкой с реализацией заданных состава и свойств и структуры наплавленного слоя / А.Н. Виноградов, Д.В. Кузнецов // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2008. С. 20-23.

б.Мешков В.В. Экспериментальные исследования содержания алюминия в наплавленном слое методом вторичной ионно-ионной эмиссии / В.В. Мешков // Народное хозяйство. 2011. № 3. С. 248-254.

9. Мешков В.В. Выбор рациональных технологических режимов механической обработки наплавочных металлопокрытий / А.Н. Виноградов.// Актуальные вопросы современной техники и технологии: сб. докл. VI Междунар. науч. конф. Липецк, 2012. С. 23-27.

1 2-1595»

2011355413

Подписано в печать 19.04.12 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ.л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 68 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

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

2011355413

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СОСТАВА И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ ПОЛУЧАЕМЫХ В РЕЗУЛЬТАТЕ НАПЛАВКИ.

1.1. Физико-технические методы восстановления свойств поверхностного слоя детали.

1.2. Основные способы многоэлектродной наплавки с получением заранее заданных функциональных свойств наплавочных покрытий.

1.3. Выявление достоинств и недостатков существующих физико-технических способов восстановления свойств поверхностного слоя детали.

1.4. Технологические особенности тангенциального точения.

1.4. Цель и задачи исследования.

2. ОПЕРАЦИИ, ПРЕДУСМОТРЕННЫЕ СУЩЕСТВУЮЩИМ И ПРЕДЛОЖЕННЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗНОШЕННЫХ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ.

2.1. Технология СГТУ имени Гагарина Ю.А.

2.2. Предлагаемый технологический процесс и сравнение его с существующим.

2.3. Анализ предварительных исследований.

2.4. Объект и условия проведения исследований.

2.5. Экспериментальная установка и измерительное оборудование.

2.6. Расчет параметров процесса тангенциального резания наплавочных металлопокрытий.

3. МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НАПЛАВОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СПОСОБА И РЕЖИМОВ ПОДАЧИ ПРИСАДОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ.

3.1. Математическое моделирование процесса изменения микротвердости наплавленного слоя в зависимости от концентрации присадочного материала.

4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ.

4.1. Методика многофакторного планирования эксперимента.

4.2. Обработка экспериментальных данных.

4.3. Влияние технологических факторов на состав и механические свойства наплавленного слоя.

4.4. Сравнение образцов и объяснение влияния каждого фактора эксперимента.

4.5. Исследование зависимости шероховатости поверхности деталей с наплавочными металлопокрытиями, обработанных способом тангенциального резания, от некоторых технологических факторов.

4.6. Выводы.

5. ПРИМЕНЕНИЕ ТАНГЕНЦИАЛЬНОГО ТОЧЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКЕ НАПЛАВОЧНЫХ

МЕТАЛЛОПОКРЫТИЙ.

5.1. Комбинированная многорезцовая обработка с прямолинейной тангенциальной подачей.

5.2. Геометрия инструмента для тангенциального точения восстановленных металлопокрытиями деталей.

5.3. Выбор оптимальных технологических режимов механической обработки.

5.4. Технико-экономическая оценка эффективности практического использования результатов исследований.

Актуальность темы. В условиях истощения сырьевых ресурсов, экологических и социально-экономических затруднений особую значимость обретают ресурсосберегающие технологии, которые все чаще сопровождаются освоением методов наплавки. Вследствие этого очень важным является восстановление наплавкой наиболее дорогостоящих ресурсоопределяющих деталей машин и механизмов, которые подвержены наибольшему износу в процессе их эксплуатации.

В частности, такими деталями являются коленчатые валы, применяемые для мощных дизелей, например, «Cummins» и «Perkins 4016-TAG мощностью 1263 кВт». Такие дизели устанавливают на дизель-электростанциях, способных давать энергию для освещения небольшого поселка. При этом стоимость восстановления такого коленчатого вала составляет 30% от стоимости нового вала, а ресурс соответственно составляет от 70 до 80% ресурса нового вала. При этом имеются различные способы повышения ресурса за счет применения дополнительных технологических воздействий, в том числе трибологических.

Процессами наплавки с получением заданных состава и механических свойств, а также особенностями последующей обработки, занимались такие ученые как Наливкин В.А., Казаков Ю.Н., Попандопуло В.В. и др. Труды этих ученых актуальны и сейчас, проблемы, которые в них рассматривались, полностью не решены. Получение высокой твердости наплавленных покрытий связано с увеличением возникающих напряжений в металле шва, а также из-за специфики формы наплавленного покрытия, осложнением применения стандартных методов механической обработки. Решением данных задач являлось применение термической обработки(либо механической обработки совместной с процессом наплавки), что усложнило и сделало более дорогим весь процесс восстановления в целом. Предлагаемая технология нанесения наплавочных покрытий исключает применение дополнительных операций, позволяющих изменить состав и механические свойства наплавленного слоя, например, увеличения поверхностной твердости, с 28-32 НЯСэ до 55-60 ЖСэ. Вопрос последующей механической обработки решается применением тангенциального точения, позволяющего снимать большие припуски за один проход, а также исключить из техпроцесса операцию шлифования, так как шероховатость поверхности после тангенциального точения, составляющая Яа = 1,25-0,63 мкм, соответствует шероховатости поверхности после финишной обработки.

Применение предлагаемого способа наплавки возможно для восстановления шлицевой части валов трансмиссии сельскохозяйственных тракторов иностранного производства, таких как УАЬТИА, тракторов отечественного производства ТЕШИ(Ж, использующих аналогичную трансмиссию. В процессе наплавки введение присадочной проволоки из бронзы позволит получить износостойкое покрытие.

В данной работе разработан способ наплавки под слоем флюса, и исследован процесс влияния режимов подачи присадочной проволоки на состав и механические свойства наплавленного слоя. Получена действенная инструментальная методика, позволяющая рассчитать режимы обработки деталей с наплавленными металлопокрытиями при тангенциальном протягивании. Все вышесказанное и обуславливает актуальность темы диссертации.

Цель исследования. Совершенствование технологии нанесения и тангенциального точения наплавочных покрытий рабочих поверхностей деталей с обоснованием рациональных режимов, для получения исходных параметров качества поверхности заготовки.

Объект исследования. Детали типа тел вращения транспортной техники и технологического оборудования.

Предмет исследования. Технологические процессы восстановления деталей наплавкой и последующей финишной тангенциальной обработки.

Научная новизна:

1. Предложена и обоснована технология нанесения и тангенциального точения наплавочных покрытий рабочих поверхностей деталей на основе рациональных режимов наплавки с подачей дополнительной изолированной присадочной проволоки, позволяющая варьировать механическими свойствами наплавленного слоя: микротвердостью по глубине наплавленного слоя и поверхностной твердостью наплавочного покрытия, с последующей финишной обработкой тангенциальным точением. Технология позволяет получать исходные параметры рабочих поверхностей наряду с повышением производительности процесса за счет упразднения операций: токарно-винторезной, круглошлифовальной и упрочняющей.

2. Разработана модель процесса изменения микротвердости наплавленного слоя от концентрации присадочного материала, зависящей от: расстояния между основным электродом и присадочной проволокой, скорости подачи присадочной проволоки, места введения присадочной проволоки (в головную или хвостовую часть наплавочной ванны). Определены рациональные режимы введения дополнительной присадочной проволоки, для обеспечения требуемой твердости покрытия: при введении в хвостовую часть наплавочной ванны подача присадочной проволоки 2,7 м/мин на расстоянии 3,5 мм от основной проволоки при минимальном значении угла, ограниченного возможностями дополнительного подающего механизма.

3. Обоснованы: способ финишной обработки твердого наплавочного покрытия тангенциальным точением с определением оптимальных режимов обработки: частоты вращения детали, глубины резания и подачи инструмента, и применение многорезцового тангенциального инструмента, позволяющего производить обработку за одну операцию, с получением шероховатости поверхности сравнимой с шероховатостью после операции шлифования.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Технология нанесения и тангенциального точения наплавочных покрытий рабочих поверхностей деталей способом наплавки, позволяющим варьировать твердостью наплавочного покрытия в пределах 52-65 НЯСэ и последующая финишная обработка методом тангенциального точения с получением шероховатости Яа = 0,63-1,25 мкм.

2. Модель и закономерности процесса изменения микротвердости наплавленного слоя в зависимости от концентрации присадочного материала.

3. Способ наплавки с подачей дополнительной изолированной присадочной проволокой, позволяющий варьировать свойствами наплавленного слоя.

4. Рациональные технологические режимы процесса тангенциального точения для деталей с наплавленными металлопокрытиями.

Практическая ценность работы и реализация результатов работы.Разработана технология обработки металлопокрытий, полученных способом наплавки под слоем флюса, позволяющим изменять режимы подачи присадочной проволоки (патент № 2403138 - 10.11.2010) (приложение А).

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы на предприятиях, специализирующихся на ремонте и восстановлении деталей и агрегатов транспортной и сельскохозяйственной техники, а также технологического оборудования. Опытный образец наплавочной головки с дополнительным подающим механизмом для заземленной присадочной проволоки прошёл апробацию в условиях НТЦ «Механик-Т», лаборатории кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» СГТУ им. Гагарина Ю.А. Для ЗАО «Агротехмаш» производителя современной тракторной техники был восстановлен шлицевой вал трансмиссии. Положения и результаты внедрены в научную и проектную деятельность Научно-внедренческого центра Международного исследовательского института, а также в учебный процесс СГТУ им. Ю.А. Гагарина по дисциплинам «Основы технологий производства и ремонта автомобилей» и «Технология и организация восстановления деталей и сборочных единиц при сервисном обслуживании» (приложение Б).

Апробация. Материалы диссертации обсуждалисьна:

1. II Международной научно-практической конференции «Экономика и технологии: инновации и модернизация», г. Чехов, Московская обл., 2011г.

2. Всероссийской научно-практической конференции «В мире научных открытий». Красноярск, 2010

3. У1-ой Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» г. Липецк, 2012 (приложение В)

4. Ежегодных конференциях кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» СГТУ: «Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин», Саратов, 2008 - 2010 гг.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, получен патент РФ на способ восстановления наплавкой поверхностей деталей № 2403138.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 133 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы, включающего 110 наименований, содержит 75 рисунков, 16 таблиц и 4 приложения.

4.6 Выводы

1. Скорость подачи присадочной проволоки оказывает прямопропорциональное влияние на: содержание присадочного материала в наплавленном слое и микротвердость и твердость наплавочного покрытия;

2. С увеличением расстояния между электродом и присадочной проволокой происходит меньшее выгорание присадочного материала, так как при увеличении расстояния от центра наплавочной ванны уменьшается температура расплавленного металла, следовательно, с увеличением расстояния микротвердость и твердость увеличиваются;

3. При увеличении угла наклона присадочной проволоки относительно основной происходит большее выгорание присадочного материала, так как с увеличением угла увеличивается площадь поверхности присадочной проволоки подверженная сильному подогреву, увеличение угла наклона приводит к снижению микротвердости и твердости;

4. Присадочная проволока, подаваемая в головную часть наплавочной ванны, выгорает больше, чем подаваемая в хвостовую часть. Это связано с разницей температур в головной и хвостовой части ванны. В хвостовой части температура всегда меньше, так как металл в этой части начинает кристаллизоваться. При всех прочих равных условиях микротвердость и твердость наплавочного покрытия будет больше, при подаче присадочной проволоки в хвостовую часть наплавочной ванны.

5. При варьировании рассмотренными параметрами можно получать различное процентное содержание присадочного материала в наплавленном слое и как следствие влиять на его состав и механические свойства.

6. Определены предельные режимы подачи присадочной проволоки: скорость подачи присадочной проволоки, с одной стороны, ограничена возможностью подающего механизма, а с другой стороны температурой сварочной ванны с возможностью расплавить в ней объем присадочной проволоки: минимальная подача 1 м/мин, а максимальная 3 м/мин. Максимальное расстояние также определяется температурой и размерами наплавочной ванны: для хвостовой части 5 мм, а для головной 2мм. Максимальное и минимальное значение угла ограничиваются возможностями дополнительного подающего механизма.

5. ПРИМЕНЕНИЕ ТАНГЕНЦИАЛЬНОГО РЕЗАНИЯ В КАЧЕСТВЕ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКЕ НАПЛАВОЧНЫХ МЕТАЛЛОПОКРЫТИЙ

5.1 Комбинированная многорезцовая обработка с прямолинейной тангенциальной подачей

Непрерывное изменение всех параметров резания при тангенциальном точении, взаимосвязь изменения толщины и площади среза с трансформацией углов резания позволяют выбирать наиболее благоприятные условия протекания процесса в соответствии с технологическими требованиями. При малой трансформации углов изменение толщины среза незначительно. С технологической точки зрения наиболее целесообразно заканчивать обработку с убыванием толщины среза, так как вместе с ней уменьшается отжатие системы ТС, а следовательно, повышается точность формообразования. Однако с уменьшением толщины среза уменьшается угол плоскости сдвига Ф, что приводит к существенному увеличению площади сдвига и удельной силы резания. Чтобы компенсировать влияние убывающей толщины среза к концу обработки на уменьшение угла сдвига, необходимо увеличить передний угол.

Тангенциальное точение продолжается после прохождения резцом центра детали. Если система абсолютно жесткая, то деталь совершит дополнительно половину оборота, а при нежесткой системе — несколько оборотов. Тогда передний угол после прохождения резцом центра детали при встречной подаче увеличится на несколько градусов. По сравнению с попутным точением, характеризуемым убыванием переднего угла, разница составит 5—7°. Поэтому съем припуска менее 0,3 мм целесообразно осуществлять со встречной подачей. С увеличением глубины резания возрастает отрицательный передний угол и увеличиваются силы резания. Поэтому при съеме больших глубин резания целесообразна попутная подача, а при съеме малых глубин - встречная. Попутная подача обеспечивает возрастание заднего угла к концу резания, что уменьшает шероховатость поверхности. При наличии жесткой системы ТС с круто возрастающей характеристикой жесткости в области малых нагрузок (см. рисунок 68) [101] точение с попутной подачей целесообразно на всем диапазоне глубин резания. Наименьшая шероховатость поверхности при попутном точении и наибольшая виброустойчивость при встречном; эти свойства проявляются при комбинированном методе обработки с попутной и встречной подачей для нежесткой системы: |ТС<10 кгс/мкм. Съем припуска г при черновой обработке детали 1 производится резцами 2 с попутной круговой или прямолинейной подачей 5 (рисунок 69).

Рисунок 68 Зависимость сил резания от величины отжатая системы и толщины среза при убывающей^, постояннойи возрастающей^ жесткости системы ТС

Припуск на встречное резание Д1=0,02ч-0,03 мм, который образуется вследствие остаточных деформацийАост системы ТС, снимается с ускоренной подачей Бггеми же резцами 2 при реверсировании подачи или дополнительным резцом при реверсировании вращения шпинделя. Ускоренное реверсированное резание осуществляется со встречной подачей.

Л,ис(пГ

Л.ТУ'Ш - ОКГЙ

Атп2=С1крз

При ускоренной встречной подаче съем припускав происходит за один - два оборота детали, что соответствует допустимой по условию виброустоичивости толщине среза а^«0,02 мм. Кроме того, повышается точность формы детали, так как обратное резание 5 соответствует введению калибрующего резца. Обратный Рисунок 69 Схема попутного-встречного ускоренный ход при прямолинейной подаче не увеличивает цикл работы станка.

Проведенные теоретические исследования позволили оценить процесс тангенциального резания (протягивания) с точки зрения прогнозируемости результатов обработки поверхностей деталей восстановленных нанесением наплавочных металлопокрытий [101].

Дальнейшие эксперименты по изучению изменения сил резания, в частности тангенциальной ее составляющей позволили обнаружить интересное явление при попутном точении. В процессе обработки деталей из стали ШХ15 резцом из сплава Т15К6 по схеме внешнего касания с попутной круговой подачей на режимах У=200 м/мин, 1,132 мм/об, 1=2мм тангенциальная сила Р2 по мере увеличения количества обработанных деталей остается практически постоянной. Данное явление зафиксировано не только для проходных, но и для торцовых резцов, и для резцов, работающих по схеме свободного резания. Это объясняется тем, что по мере износа резца по задней поверхности происходит одновременное его затачивание до величины заднего угла, необходимого при врезании. Так как износ резца соизмерим с его заточкой, то угол заострения резца остается постоянным и сила резания не точения с прямолинейной подачей меняется. Самозатачиваемость резца при попутной подаче повышает стойкость инструмента. Ранними исследованиями установлена стойкостная зависимость при тангенциальном точении со встречной прямолинейной подачей деталей из стали ШХ15 резцом из твердого сплава Т15К6 [101]:

Т = ^мин; при t< 0,5мм А=2,5-106; при t> 0,5 мм A=l,5-106

Проходные резцы, снимающие припуск глубиной 2-3 мм, при попутном точении наружных поверхностей с круговой подачей по схеме внешнего касания в диапазоне скоростей 150 - 220 м/мин имеют стойкостьГ = —, а резцы для чистовой обработки,снимающие А припуск глубиной 0,05—0,1 мм, стойкость Т =

Уменьшение показателя тпри скорости в стойкостной зависимости для попутного точения по сравнению со встречным объясняется уменьшением силовой нагрузки и эффектом самозатачивания резца. Стойкостная зависимость для встречного тангенциального точения имеетвид: rp A Cs V2,38 S ' где Cs=1260 для t<0,5 мм, Cs=1048 для t>0,5 мм.

Проверка стойкости резцов при точении внутренних поверхностей производилась в условиях полусвободного резания при обработке торца и несвободного резания при обработке желоба. Материал обрабатываемой детали—сталь ШХ15, резец из твердого сплава Т15К6 [101].

Рассмотрев все имеющиеся данные, стало ясно, что можно разработать программу для ПЭВМ, позволяющую рассчитать параметры процесса тангенциального резания. Использовав имеющиеся теоретические зависимости для однокромочного и многокромочного инструмента, стало возможным получить интересующие данные после расчетов на ПЭВМ. Так, программа составлена таким образом, что в качестве исходных данных можно заложить в машину информацию об обрабатываемой поверхности детали (диаметр, длину, снимаемый припуск, жесткость детали, марку материала или вид покрытия и т.д.), об инструменте (марку материала режущей части, жесткость инструмента, углы заточки различных секций, массивы припусков на зуб, массивы шагов зубьев и т.д.), режимы обработки (на каждом зубе могут быть свои режимы), различные поправочные коэффициенты.

В процессе обработки заложенных данных, оператор может работать с машиной как в диалоговом режиме, так и в автоматическом. При работе в диалоговом режиме оператор может вводить коррекцию в исходные данные с тем, чтобы получить требуемые параметры обработки. При работе в автоматическом режиме вводить коррекцию исходных данных можно лишь по окончании расчетов. В случае некорректного задания исходных данных в программе предусмотрена остановка и требование изменить задание. Впроцессе работы оператор может менять любые исходные данные по параметрам режущего инструмента и режимам обработки, и в результате получить данные, обеспечивающие обработку любой поверхности с требуемым качеством [101].

По скорректированным характеристикам режущего инструмента вносятся изменения в чертежи инструмента, и он может быть изготовлен для обработки любой из поверхностей, или по расчетным данным могут быть изготовлены новые чертежи.

Программа учитывает силы резания, возникающие на каждом зубе. Программа позволяет рассчитать величины припуска, снимаемого каждым г-м зубом в каждой К-й точке, а также скорости резания, углы резания, время обработки, текущий радиус детали г,* в процессе обработки и текущую точку контакта.

Разработанная программа позволяет производить расчет режимов резания любых материалов и осуществлять выбор и расчет инструмента для обработки, прогнозировать получающиеся результаты и вводить коррекцию в конструкцию инструмента еще до его изготовления, что очень важно с экономической точки зрения. Также возможна коррекция режимов обработки, зависящих от конкретного инструмента: количества зубьев, шага между зубьями, материала режущих кромок зубьев и т.д.

Выше описанное, дает право утверждать, что получена весьма действенная инструментальная методика, позволяющая рассчитать обработку деталей как с металлопокрытиями, так и без них с требуемой точностью и шероховатостью поверхностей, а также параллельно произвести выбор и расчет инструмента для заданных поверхностей деталей, то есть в минимальный срок и с минимальными затратами решить поставленную задачу [101].

5.2 Геометрия инструмента для тангенциального точения восстановленных металлопокрытиями деталей

Процесс тангенциального точения характеризуется, как и при обычном резании, положением передних и задних, поверхностей режущего инструмента относительно поверхности резания и обрабатываемой поверхностью заготовка, которые определяются углами заточки и кинематикой процесса обработки. При проектировании и анализе технологического процесса тангенциального точения и режущего инструмента большое значение имеет изменение рабочих углов режущей части инструмента в процессе обработки относительно неизменных величин - углов заточки, которые определяют течение процесса резания и влияющих на усилие резания, производительность обработки, шероховатость обрабатываемой поверхности и износ инструмента. Рабочие углы, геометрические параметры в процессе тангенциального точения определяются положением передней и задней поверхностей режущей части инструмента относительно поверхности резания; как и при обычном резании, для определения рабочих углов используются две координатные плоскости -плоскость резания и основная плоскость (рисунок 70) [102]. Как видно из рисунка, тангенциальное точение характеризуется изменением углов резания в процессе обработки. Наибольшее изменение углов резания происходит при врезании по схеме внешнего касания. Следует отметить, что во всех схемах тангенциального точения на проход углы резания при свободном выходе равны углам заточки режущего инструмента. В общем виде углы резания определяются: передний у = у3 ± ф ± Лв, (5.1) задний а = а3±ф ± Лв, (5.2) где у3и а3 - передний и задний углы заточки режущего инструмента; - угол трансформации, определяемый по формуле гр = агс соб(;

1 + К1±2{1±Кг){1-К1У

5.3) гдеК[ = 1/г0; К, = 1/г0

А0 - угол подъема траектории,

RxLx sin6D0 tan Л в — -:-(5.4) ix р2 где i - отношение скорости детали и скорости режущего инструмента;

0ро - максимальный угол контакта режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки.

Из формулы (5.4) следует, что угол подъема траектории Д9 тем больше, чем больше припуск и межцентровое расстояние, чем меньше радиус обработки R и отношение скорости резания к подаче.

В формулах (5.1) и (5.2) знак плюс соответствует обработке с попутной подачей, знак минус - встречной.

Расчет зависимости изменения фактических значений переднего у и заднего а - углов резания от относительного расстояния режущей кромки инструмента до начальной точки контакта производился на ПЭВМ и результаты такого расчета графически, показаны на рисунок60[102]. расстояния кромки инструмента до точки контакта

Из графиков (рисунок 71) видно, что передний угол увеличивается от максимального значения до величины угла, равного углу заточка режущего инструмента, а в свою очередь задний угол изменяется также от максимального значения в начальный момент обработки и уменьшает свое значение до угла заточки в конце обработки. Изменение значений переднего и заднего углов происходит при обработке детали относительно равномерно. Угол контакта режущей кромки инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки из своего максимального значения уменьшается до нуля. При проектировании геометрии режущей части инструмента необходимо выбирать величину заднего угла заточки из условий наименьшего трения задней поверхности режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки, а величину переднего угла заточки необходимо выбирать так, чтобы текущее значение переднего угла было всегда положительным. Это благоприятно влияет на процесс тангенциального резания: уменьшаются силы резания и, как следствие, отжим в системе "станок-приспособление-инструмент-деталь" (ТС), что приводит к повышению точности обработки и т.д. В приведенном расчетном варианте такое условие выполняется.

Из анализа выше приведенных зависимостей и графиков видно, что при проектировании инструмента и технологического процесса тангенциального резания необходимо задавать такие углы заточки переднего угла у и заднего угла а, которые при трансформации в процессе резания, не будут принимать отрицательные и нулевые значения, при этом передний угол у необходимо принимать максимально возможной величины, исходя из условий прочности режущего инструмента, а задний угол а не должен способствовать возникновению трения на задней поверхности режущей части инструмента от контакта с обрабатываемой поверхностью заготовки[102].

5.3 Выбор оптимальных технологических режимов механической обработки

Для обеспечения стабильности и экономической целесообразности процессов механической обработки деталей на металлорежущих станках необходимо задавать оптимальные технологические режимы обработки. Для решения этой задачи можно применить метод линейного программирования или симплекс метод, позволяющий по заданным исходным параметрам процесса определить экстремальные параметры оценочной функции. Это можно проиллюстрировать на примере тангенциального точениянаплавочных металлопокрытий. Ранее были получены некоторые экспериментальные зависимости, которые характеризуют технические ограничения процесса тангенциального точения. В качестве критерия оптимальности была выбрана наименьшая себестоимость операции или машинное время, так как режимы резания, обеспечивающие наименьшее машинное время, являются наиболее экономичными.

Примем в качестве оценочной функции уравнение машинного времени за единицу длины резания: г С где: С - постоянный коэффициент, с = 1резП;

I - глубина резания, мм;

1рез - длина резания, мм; п - частота вращения заготовки, мин"1;

П - припуск на обработку, мм;

5* - подача, мм/об.

На основании неравенств технических ограничений и уравнения (5.5) должен быть выбран рациональный режим обработки.

Выберем в качестве технических ограничений уравнения, полученные в результате экспериментальных исследований процесса тангенциального резания, а также ограничения технологических факторов взятые из литературных данных [103. 107]. Так, из литературы известна взаимосвязь между скоростью резания, обусловленной принятой стойкостью инструмента, материалом режущей части инструмента, его геометрией, глубиной резания, подачей, механическими свойствами обрабатываемого материала, с одной стороны, и скоростью резания, определяемой кинематикой станка, с другой стороны. Выражение этого технического ограничения имеет вид:

THmtXvzu»Brгде: Cv - постоянный коэффициент, характеризующий нормативные условия обработки (С„=47); d - диаметр обрабатываемой детали (¿/=20 мм); Kv - общий поправочный коэффициент на скорость резания (ATV=1); Тн - принятая стойкость инструмента (Тн= 1800 мин); m - показатель относительной стойкости (т =0,2); t— глубина резания; z - число зубьев режущего инструмента (для протяжки z =10); В - ширина срезаемого слоя (В =2,9 мм); xv,yv,zv,uv,rv - показатели степеней (*v = 0,1,уv = 0,8;zv = 0;uv = 0;rv = 0). Система ограничений имеет вид:

А <1,44МО-6 • п~т;

1,765-104 .S1-0'401 - Г1'884; Ак < 7,3 70-104 • ¿>-0-988. i"2-32; nS* <318C,^V' ; ,(5.7) Tft'-z'-B'

200<л <2000,

0,01<5<0,5;

0,05<i <0,01.

В качестве факторов оптимизации выбираем частоту вращения заготовки п, скорость подачи инструмента S и глубину резания t.

Перепишем систему с учетом выбранных факторов и оценочной функции:

-3,01 > ^roax

1,441-Ю"6 r-0,401 ^-1,884 V, . 1,765 -104 '

-0,988 ^-2,32 > Äjfmax . 7,379 -104' 1800 -10 -2,9 ; n < 2000, n > 200; S <0,5; 5 >0,01; t < 0,05; ¿>0,01; = f—

Прологарифмируем правые и левые части неравенств (5.8) и обозначим правые части через Вь В2.Вю, тогда систему можно переписать в виде:

-3,011п«>5,;

0,4011п5'-1,8841п/ > В2\ - 0,9881п 2,321п/>53; 1пи + 0,81п5 + 0,1Ы <В4; пп<В5-, \пп> В6; In S < ¿?7; ln^ > In t<B9\ In t>B10

5.9)

In/ = In С - (In n + \nS + In/). Обозначим логарифмы факторов процесса In« - jc,,lnS - x2,lnt - % и преобразуем систему неравенств и оценочную функцию, приведем ее к каноническому виду и введем искусственный базис для того, чтобы полученная система ограничений имела полный единичный базис, которому соответствует опорное решение системы.

-3,01-Xj-хА = Вх\ -0,401х2 -1,884*з -х5=В2; -0,988jc2 -2,32х3 -х6 = В3; jCj + 0,8х2 + 0,1*3 + х7 = В4; + *8 — ,

- = в6; дг* + *10 хг

3 + хп = В9;

3 ~ -*1з ~В\0

АЛЛ f0 =(*1+*2+*з)

Решение системы (5.10) представляет собой область, содержащую

АЛЛ оптимальные значения *1,*2,*з.

Рисунок 72 Графическое определение оптимальных режимов резания.

Тогда оптимальные значения технологических режимов будут равны: Л п = ехи™ = 776,5лшн~1;

5 = е«~ = 0,09 мм/об; - 0,05мм.

5.4 Технико-экономическая оценка эффективности практического использования результатов исследований

Стоимость нового коленчатого вала двигателя РегЫш 4016 - ТАв составляет 1350000 руб. Максимальное количество восстанавливаемых валов в год, с учетом технологических возможностей, составляет 40 шт. в год.

Минимальная цена восстановления коленчатого вала:

Сгод 2972171

ЦПЙ1=С2гж" = 37049,6+ ^ ' = 44480руб.

Восстановленный вал имеет ресурс 70% от ресурса нового вала. Целесообразность восстановления вала очевидна. Встает вопрос о качестве наплавленного покрытия. После наплавки с использование проволоки 30 ХГСА твердость наплавленного слоя не превышает 30 1ШСЭ, это достаточно низкий показатель твердости для шеек коленчатого вала, так как норма твердости для нового вала порядка 55-60 НКСЭ. Рассмотрим два возможных способа поверхностного упрочнения: азотирование и закалка ТВЧ.

1. Азотирование - насыщение поверхности металлических деталей азотом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости. Азотированию подвергают сталь, титан, некоторые сплавы, наиболее часто легированные стали, особенно хромоалюминиевые, а также сталь, содержащую ванадий и молибден[108]. Процесс очень трудоемкий, длительный и как следствие очень дорогой. Азотировать шейки коленчатого вала, габаритные размеры которого 160x450 мм в течение 50 часов стоит около 50 тыс. рублей. Из-за очень больших размеров коленчатого вала (более двух метров) данный способ будет иметь значительно высокую стоимость, да и предприятие способное выполнить данную операцию найти не просто. Стоимость упрочнения до твердости 4550 ШСЭ будет около 150000 руб.

2. Закалка ТВЧ обеспечивает высокое качество изделий и дает наиболее стабильные результаты по сравнению с другими методами поверхностного упрочнения (большое сопротивление изнашиванию и усталостному разрушению, малые деформации, почти полное отсутствие окисления и обезуглероживания). Благодаря нагреву только поверхностных слоев уменьшаются затраты энергии на нагрев [109]. Для упрочнения шеек коленчатого вала двигателя Регклшбыл проведен мониторинг предприятий имеющих возможность производить упрочнение методом ТВЧ. Крупнейшим в России предприятием занимающимся ремонтом коленчатых валов корабельных дизелей является ЗАО «Ремдизельмаш». Один из заводов предприятия находится в г. Коломна. По данным с этого предприятия закалка одной шейки вала будет стоить порядка 200 тыс. руб., последующих 20-30 тыс. руб. каждая. С учетом всех шеек вала Регкшзобщая стоимость упрочнения составит около 600 тыс. руб., без учета стоимости транспортных работ. Заводы ЗАО «Ремдизельмаш» в основном находятся в портовых городах: Владивосток, Хабаровск, Мурманск, Санкт - Петербург и др., самый ближайший к Саратову в Коломне.

Пример проблемы недостатка коленчатых валов в ОАО «РЖД». Опыт эксплуатации тепловозов, оборудованных дизелями 5Д49, показывает, что срок службы их коленчатых валов на практике значительно ниже заявленного срока службы самого дизеля и составляет 7-12 лет.Замену коленчатого вала приходится производить 1-2 раза за весь срок службы дизеля [110].

Начиная с 1997 г. отмечен массовый выход из строя стальных коленчатых валов дизелей 5Д49 (рисунок 73). В связи с ростом наработки эксплуатирующихся коленчатых валов и увеличением парка тепловозных дизелей 5Д49 за счет производства капитального ремонта резко увеличилась потребность в поставках новых коленчатых валов на ремонтные предприятия. Средняя месячная потребность в новых коленчатых валах при проведении капитального ремонта только на Воронежском ТРЗ составляет 10 - 12 шт. при этом изготовитель стальных коленчатых валов - Коломенский завод может поставлять не более семи валов в месяц.

Рисунок 73 Коленчатый вал двигателя 5Д49

Стоимость нового коленчатого вала дизеля 5Д49 на январь 2008 г. составляет 2,5 млн. руб. проблема сохранения ресурса коленчатого вала для тепловозных дизелей других типов решается путем перешлифовки шеек на ремонтные размеры, причем градации отличаются, как правило, на 0,5 мм по диаметру. Для коленчатых валов дизелей типа Д49 невозможно ввести ремонтные градации через 0,5 мм по диаметру, так как поверхность шеек вала дизеля 5Д49 упрочнена термохимическим способом (азотированием) на глубину менее 0,3 мм. В руководстве по капитальному ремонту дизелей, разработанном Коломенским заводом-изготовителем, предусмотрено наличие четырех градаций через 0,1 мм. Однако это не решит проблему. Как показывает анализ представленных Воронежским ТРЗ материалов, основной причиной браковки коленчатых валов является наличие дефектов шеек большой глубины (1 мм и даже более). Для продления ресурса вала необходимо разрабатывать новую технологию его ремонта. Наиболее приемлемым представляется введение двух градаций размеров шеек с уменьшением их диаметра через 1,0 мм, с обязательным последующим упрочнением рабочей поверхности по технологии, аналогичной применяемой при изготовлении нового вала. Однако, учитывая высокую загруженность завода - изготовителя новых коленчатых валов, ввести в существующий производственный процесс изготовление коленчатых валов с градационными размерами шеек не представляется возможным. Применение технологии детонационного напыления на Воронежском ТРЗ для восстановления шеек коленчатых валов дизелей локомотивов в массовом производстве не решило проблему: около 24 % восстановленных валов вышло из строя по причине разрушения напыленного слоя из-за низкого уровня адгезионной прочности. На сегодняшний день эта технология запрещена. Таким образом, решение проблемы продления срока службы стальных коленчатых валов дизелей 5Д49 является важной и актуальной [110].

Предложенный способ наплавки под слоем флюса с добавлением заземленной присадочной проволоки позволяет регулировать твердость наплавленного слоя путем изменения скорости подачи присадочной проволоки и места её введения. Так получить твердость наплавленного слоя в 45-50 HRC3 можно добавив присадочную проволоку на основе алюминия в хвостовую часть наплавочной ванны на расстоянии 2 мм от основного электрода, с углом 20° и со скоростью 2 м/мин. При этом расход присадочной проволоки составит в среднем 574, 56 г на одну шейку. Всего на коленчатом валу Perkins 8 шатунных и 9 коренных шеек. Даже если необходимо наплавить все 17 шеек, легко посчитать, что понадобится около 10 кг алюминиевой проволоки. Все затраты связанные с переоборудованием наплавочной головки сведем в таблицу 14.

Заключение

1. На основе анализа литературных данных и собственных исследований, посвященных методам получения наплавочных покрытий с заданными свойствами, выявлены механизмы, и закономерности распределения присадочного материала в наплавленном слое при различных режимах подачи присадочной проволоки с использованием традиционных и современных методов исследования состава и свойств поверхностного слоя. .

2.Разработана технология нанесения и обработки наплавочных покрытий рабочих поверхностей деталей способом наплавки, позволяющим варьировать твердостью наплавочного покрытия в пределах 52-65 Н11Сэ с последующей финишной обработкой методом тангенциального точения с получением шероховатости Яа = 0,63-1,25 мкм.

3. Разработана математическая модель влияния факторов эксперимента на состав и свойства наплавочного покрытия. Исследовано влияние факторов, определяющих формирование состава и свойств наплавочного покрытия при наплавке под слоем флюса с подачей изолированной присадочной проволоки, что позволило выявить зависимость микротвердости от факторов эксперимента.

4.Обоснованы рациональные технологические режимы процесса тангенциального точения для деталей с наплавочными покрытиями: частота вращения детали п=776,5 мин'1, подача 8=0,09 мм/об, глубина резания 1=0,05 мм.

5. На основе результатов исследований даны практические рекомендации по использованию предложенной технологии нанесения и обработки наплавочных покрытий с технико-экономической оценкой эффективности внедрения её в производство. Предложенная технология экономически выгоднее технологии с применением азотирования более чем в

2,5 раза, а технологии с применением закалки ТВЧ в 9,2 раза при получении одинаковой поверхностной твердости наплавленных шеек.

6. Определены предельные режимы подачи присадочной проволоки: скорость подачи присадочной проволоки: минимум 1 м/мин, максимум^ м/мин. Максимальное расстояние: для хвостовой части 5 лш, а для головной 2мм.

1. Прохоров H.H. Сварка в СССР / H.H. Прохоров и др. М.: Наука, 1981. — 1108 с.

2. Акулов А.И. Технология и оборудование сварки плавлением / А.И. Акулов, Г.А. Бельчук, В.П. Демянцевич. -М.: Машиностроение, 1988. 215 с.

3. Абрамович В.Р. Сварка плавлением меди и сплавов на медной основе /

4. B.Р. Абрамович, В.П. Демянцевич, Л.А. Ефимов. Л.: Машиностроение, 1988. -215 с.

5. Китаев А.М. Справочная книга сварщика / A.M. Кигаев, Я.А. Китаев. -М.: Машиностроение, 1985.-256 с.

6. Акулов, В.В. Материалы III Международной специализированной выставки «Сварка. Резка. Наплавка» / В.В. Акулов, И.С. Харламов // Сварка и резка. 2009. № 2. С. 3-8.

7. Кудинов В.В. Плазменные покрытия / В.В. Кудинов. М.: Машиностроение, 1977. - 184 с.

8. Дорожкин H.H. Дуговая газопорошковая наплавка / H.H. Дорожкин. -Минск. Беларусь, 1989. 94 с.

9. Патон Б.Е. Электрошлаковая сварка и наплавка / Б.Е. Патон. М.: Машиностроение, 1980. -511 с.

10. Фрумин И.И. Основы технологии механизированной наплавки / И.И. Фрумин. -М.: Профтехиздат., 1961. 303 с.

11. Шалимов, М.П. История сварки и наплавки / М.П. Шалимов, В.И. Панов // Сварка Вчера, Сегодня, Завтра". 2006. №5. С. 25-31.

12. Воробьев, Г.Г. Орбитальная сварка труб воздухопровода тормозной магистрали грузовых вагонов / Г.Г. Воробьев, М.М. Берзин , Е.С. Куминов,

13. C.А. Бульканов// Сварочные и наплавочные технологии на железнодорожном транспорте: Сб. науч. тр.ОАО «ВНИИЖТ» / Под. ред. A.B. Гудкова. — М.: Интекст, 2008. — 176 е., стр. 81-84.

14. М.А. Бульканова, С.А. Бульканов, В.В. Крикунов, А.Н. Филиппов.Упрочнение элементов автосцепного устройства газопорошковой наплавкой. «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» / Труды конференции.— М.: МИИТ, 2001, —398 с.

15. А.Г. Головинский к.т.н., Ю.Н.Кривошеев. Опыт применения электрометаллизационных и комбинированных антикоррозионных покрытий. «Химическая техника», 2002 г., № 6, стр. 9-12.

16. Хасуй, А. Техника напыления: пер. с японского C.JI. Масленникова. / А. Хасуй. М.: Машиностроение, 1975.-288 с.

17. Меликов, В.В. Многоэлектродная наплавка / В.В. Меликов. М.: Машиностроение, 1988.-144 с.

18. Емельянов, Н.П. Многоэлектродная электродуговая и электрошлаковая наплавка под флюсом / Н.П. Емельянов // Труды ВНИИЖТа. Вып.239.М.: Трансжелдориздат, 1962.-е. 4-12.

19. Вердников В.Г. Производительность многоэлектродной наплавки при восстановлении изношенных деталей строительных машин / В.Г. Вердников, Т.К. Копенев // Сварочное производство, 1972. №4

20. Казаков, Ю.Н. Технологическое обеспечение трибологических свойств деталей при наплавке / Ю.Н. Казаков, В.В. Хорев // Монография. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2000. 80 с.

21. Patent 3694620 (US) / Dual Welding Wire Feed For ARC Welder // Gleason W., 1972.-5 p.

22. Клименко С.А. Технологическое обеспечение качества и эксплуатационных свойств наплавленных деталей точением. Дисс. канд. техн. наук. Киев, 1986. - 269 с.

23. Бойко Н.И. Фрезерование широкослойной наплавки цилиндрических деталей / Н.И. Бойко. РИИЖТ: Ростов-на-Дону, 1987. - 73 с.

24. Казаков, Ю.Н. Теплофизические условия безотходной обработки резанием наплавляемого слоя / Ю.Н. Казаков // Теплофизика технологических процессов: Сб. трудов. -Рыбинск: Авиационный технологический ин-т., 1992. С. 102-105.

25. Рыкалин П.К. Тепловые основы сварки. 4.1. / П.К. Рыкалин. М. -Л.: АН СССР, 1947.-271 с.

26. Бойко Н.И. Технология наплавки и температурные поля при комплексном восстановлении цилиндрических деталей / Н.И. Бойко // Сварочное производство, 1984. №8

27. Ермаков, Ю.М. Технология и станки тангенциального точения М.: Машиностроение, 1979.-152 С., ил.

28. Грановский Г.И. Кинетика резания. М., Машгиз, 1948. 200 с.

29. Этин, А.О., Абалкин В.И., Гатовский М.Б. Метод тангенциального точения охватывающими вращающимися головками. В кн.: Прогрессивные технологические процессы в машиностроении. М., Машиностроение, 1965. 197 с.

30. Duggan C.K., Stokes R.I., Stone T.I. The use of skiving cuts to obtain data on cutting force and some predictions of workpiece geometry and force variation for skiving.- «Proc. Inst. Mech. Eng.», 1976, 190, N 25, p. 297 308.

31. Preger K.T. Standzeit und Standweg.- «Werkstatt und Betrieb», N 12, 1966, S. 863-865.

32. Ермаков, Ю.М. Виброустойчивость радиального и тангенциального точения при малых толщинах срезаемого слоя / Ю.М. Ермаков, С.А. Углов // В кн.: Обработка металлов резанием. Научные труды ВЗМИ, т. 30. М., НИИМАШ, 1975, С. 37 46.

33. Прогрессивная технология и станки попутного точения. Авт.: Г.А. Шаумян, П.М. Чернянский, Ю.М. Ермаков и др. В кн.: Автоматизация и механизация производственных процессов в машиностроении./Под ред. Г. А. Шаумяна. Машиностроение. М., 1967, с. 175-196.

34. Этин, А.О. Кинематический анализ методов обработки металлов резанием. М., Машиностроение. 1964. 322 с.

35. Sakuma Keizo, OnikuraHiromichi. Cutting mechanism of skiving. «Men. Fac. Eng. Kyushu Univ. », 35, N 3,1976, p. 169 185.

36. Есенберлин P.E. Восстановление деталей автомобилей сваркой и наплавкой. М.: Изд-во МАДИ, 1984. 64с.

37. Мешков, В.В. Способ и устройство для восстановления наплавкой поверхностей тел вращения /А.Н. Виноградов, М.А. Лутахов, Д.В. Кузнецов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. №2(45). С. 50-56.

38. Вудраф, Д. Современные методы исследования поверхности / Д. Вудраф, Т. Делчар. М.: Мир, 1989. - 564 с.

39. Закс, JI. Статистическое оценивание: пер. с нем. / Л.Закс. М.: Статистика, 1976. - 598 с.

40. Айвазян, С.А. Прикладная статистика. Основы моделирования и первичная обработка данных: справочное изд. / С.А. Айвазян, И.С. Ежоков, Л.Д. Мешалкин. М.: Финансы и статистика, 1983. - 471 с.

41. Сидоров, В.П. О возможности использования наплавок системы железо-алюминий в качестве износостойких покрытий / В.П. Сидоров, А.И. Ковтунов, М.Н. Бородин, Т.В. Чермашенцева // Тяжелое машиностроение. 2007. - № 12. - С. 12-13.

42. Ковтунов, А.И. Технология формирования износостойких покрытий /

43. A.И. Ковтунов, Т.В. Чермашенцева, Д.А. Семистенов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. - №7. - С. 12-14.

44. Ковтунов, А.И. Особенности формирования износостойких покрытий при наплавке сплавов системы алюминий-магний на сталь / А.И. Ковтунов, Д.А. Семистенов, Т.В. Чермашенцева // Сварочное производство. -2010.-№1. -С. 38-41.

45. Виноградов А.Н. и др. Алгоритм удаления припуска при тагенциальном резании. Депонир. во ВНИИТЭМР, в библ.указателе ВИНИТИ. Депорир.научн.работы, 1990, №6. 106 с.

46. Горанский, Т.К. Автоматизация технического нормирования работ на металлорежущих станках с помощью ЭВМ /Т.К. Горанский, Е.В. Владимиров, Л.Н. Ламбин. М.: Машиностроение, 1970. 224 с.

47. Волоченко, В.Н.Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов по ТЗЗ спец. «Оборуд. и технология свароч. пр-ва» // В.Н. Волоченко, В.М. Ямпольский, В.А. Винокуров и др.; Под ред. В.В. Фролова.- М.: Высш. шк., 1988.-559 е.: ил.

48. Абрамова Б.Г. Цветные индикаторы температуры / Б.Г. Абрамова,

49. B.Ф. Картавцева. -М.: Энергия, 1978. 216 с.

50. Винокуров В. А. Теория сварочных деформаций и напряжений /В.А. Винокуров, А.Г. Григорьянц. М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

51. Киреев В. А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций / В.А. Киреев. -М.: Химия, 1975. 535 с.

52. Линевес Ф. Измерение температур в технике: Справочник. М: Металлургия, 1980. 544 с.

53. Макаров Э.Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей

54. Э.Л. Макаров. -М.: Машиностроение, 1981. 248 с.

55. Махненко В.И. Тепловые процессы при механизированной иаплавкедеталей типа круговых цилиндров / В.И. Махненко, Т.Г. Кравцов. -Киев: Наукова Думка, 1976. 159 с.

56. Николаев Г.А. Сварные конструкции / Г.А. Николаев, С.А. Куркин, В.А. Винокуров в 2-х т. М.: Высшая школа. Т. 1. 1982. - 272 с. Т. 2. 1983. -344 с.

57. Потапов Н.Я. Основы выбора флюсов при сварке сталей / Н.Я. Потапов. -М.: Машиностроение, 1979. 169 с.

58. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке / H.H. Рыкалин. М.: Машгиз, 1954. - 296 с.

59. Киселев С.Н. Соединение труб из разнородных металлов/ С.Н. Киселев, Г.Н. Шевелев, В.В. Рощин и др. М.: Машиностроение, 1981.-176 с.

60. Багрянский К.В.Теория сварочных процессов / К.В. Багрянский, З.А. Добротина, К.К. Хренов К. М.: Высшая школа, 1976. - 424 с.

61. Волченко В.И. Источники энергии сварочных процессов / В.И.

62. Волоченко. -М.: Машиностроение, 1971. 75 с.

63. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков / Л.С. Лившиц. М.: Машиностроение, 1979. -243 с.

64. Махненко В.И. Тепловые процессы при сварке / В.И. Махненко //

65. Сварка в СССР. Гл. 2. С. 27 44. -М.: Наука, 1981. Т. 2. - 494 с.

66. Новожилов Н.М. Основы дуговой сварки в газах / Н.М. Новожилов. -М.: Машиностроение, 1979. 230 с.

67. Соммервил Дж. М. Электрическая дуга / Дж. М. Соммервил. М.:

68. Госэнергоиздат, 1962. 142 с.

69. Беляев Н.М. Методы теории теплопроводности / Н.М. Беляев, A.A. Рядно. В 2-х ч. М.: Высшая школа, 1982. Ч. 2. - 304 с.

70. Гельман А.К. Основы сварки давлением. М.: Машиностроение, 1970.-312 с.

71. Карлслоу Г.С Теплопроводность / Г.С. Карлслоу, Д. Егер. М.: Наука, 1964.-487 с.

72. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. М.: Машиностроение, 1970.-333 с.

73. Махненко В.И. Расчетные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций. Киев: НауковаДумка, 1976. - 320 с.

74. Никифоров Г.Д. Металлургия сварки плавлением алюминиевых сплавов. М.: Машиностроение, 1972. - 270 с.

75. Петров Г.Л.Теория сварочных процессов / Г.Л. Петров, A.C.

76. Тумарев. М.: Высшая школа, 1977. - 389 с.

77. Прохоров Н. Н. Физические процессы в металлах при сварке. М.: Металлургия, 1968. Т. 1; 1971. Т. 2.

78. Ольшанский H.A. Сварка в машиностроении. Т. 1. -М. Машиностроение, 1978. — 501 с.

79. Винтайкин, Б.Е. Физика твердого тела / Б.Е. Винтайкин.; Под ред. Л.К. Мартинсона, А.Н. Морозова,- М. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 170 с.

80. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела / Ч. Киттель. М.: Наука, 1978.-790 с.

81. Жданов Г.С. Дифракционный и резонансный структурный анализ / Г.С. Жданов, A.C. Илюшин, С.В. Никитин. М.: Наука, 1980. - 256 с.

82. Зотов, О.Г. Физическое металловедение / О.Г. Зотов, В.В. Кисельников, С.Ю. Кондратьев,- Сп.-Б. СПБГТУ, 2001. 120 с.

83. Шаскольская М.П. Кристаллография / М.П. Шаскольская. М.: Высшая школа. 1976. - 392 с

84. Васильев Д.М. Физическая кристаллография / Д.М. Васильев. -М.: Металлургия, 1981. -248 с.

85. Вайнштейн Б.К. Симметрия кристаллов / Б.К. Вайнштейн. М.: Наука, 1979.-384 с.

86. Най Дж. Физические свойства кристаллов / Дж. Най. М. : Мир, 1967.-385 с.

87. Мержанов А.Г. Созидающий огонь / А.Г. Мержанов, И.М. Усвицкий. М.: Советская Россия, 1989. - 80 с.

88. Таран В.Д. Сварка магистральных трубопроводов и конструкций / В.Д. Таран. -М.: Недра, 1970. 379 с.

89. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.

90. Шаповалов В.В. Исследование динамических процессов трения методом многофакторного эксперимента / В.В. Шаповалов, А.И. Тетерин // Тр, РИИЖТ.1974. Вып. 103, С. 71-73.

91. Солонин И.С. Математическая статистика в технологии машиностроения / И.С. Солонин. М.: Машиностроение, 1972. - 197 с.

92. Зеднигинадзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем / И.Г.Зеднигинадзе. М.:Наука, 1976. - 360 с.

93. Мешков В.В. Анализ результатов исследования образцов, наплавленных автоматической наплавкой под слоем флюса, с различными режимами подачи присадочной проволоки / А.Н. Виноградов, В.В. Мешков // Тяжелое машиностроение. 2011. № 7. Вып.2,- С. 2-7.

94. Мешков В.В. Экспериментальные исследования содержания алюминия в наплавленном слое методом вторичной ионно-ионной эмиссии / В.В. Мешков //Народное хозяйство. 2011. № 3 С. 248 - 254.

95. Томас Г. Просвечивающая электронная микроскопия материалов / Г. Томас, М. Гориндж. М.: Наука, 1983. - 320 с.

96. Васильев Д.М. Дифракционные методы исследования структур / Д.М. Васильев. -М.: Металлургия, 1977. 248 с.

97. Иверонова В.И. Теория рассеяния рентгеновских лучей / В.И. Иверонова, Г.П. Ревкевич. М.: Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова, 1978. -278 с.

98. Гинье А. Рентгенография кристаллов / А. Гинье. М.: Гос. Изд-во физ.-мат. лит-ры, 1961. - 604 с.

99. Горелик С.С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ / С.С. Горелик, Л.Н. Расторгуев, Ю.А. Скаков. М.: Металлургия, 1970.-360 с.

100. Нозик Ю.З. Структурная нейтронография / Ю.З. Нозик, Р.П. Озеров, К. Хеннинг. М.: Атомиздат, 1979. - 344 с.

101. Методика выбора и оптимизации контролируемых параметров технологических процессов / РДМЦ. М. Изд-во стандартов, 1976. С. 109-77.

102. Виноградов А.Н. Повышение точности изготовления круговых канавок деталей из магнитомягких материалов применением способа тангенциального протягивания. Дис. Изд-во Саратов, политехи, ин-т, 1989. 194 с.

103. Юликов М.И. Классификация режущего инструмента. М., ВНИИ-ЦИНТИМАШ, 1960. 56 с.

104. Schaumjan G.A., Tschernjanskij P.M. Gleichlautdrehen. Ein neues Verfahren fur die Drehbearbeitung.- «Maschinenmark.» j. 76, N 73, 1970, S. 1647 1652.

105. Unnouveantourpermetdepermetdeprendredespasseslargesavecleminim umdebrontage. LaMachineModerne, N 56 (730). Janv. 1970, S. 56.

106. Walsh G.T. Skiving on automatics. American Mashinist, v. 110, 1966, p. 88-91.

107. Борисенок Г.В., Васильев JI.A., Ворошнин Л.Г. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. — Москва: Металлургия, 1981. — 255 с.

108. Лахтин Ю.М., Арзамасе® Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. — Москва: Металлургия, 1985. — 424 с.