автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Технологическое обеспечение ресурса деталей машин, восстановленных электромагнитной наплавкой, путем механической обработки покрытий

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

р Г 5 ОД . '

О 2 !!!0Н 13Я7

УДК 621.791. Э2->©21.923:621.81

ЩУКИН Виктор Семенович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ МАШИ, ВОССТАНОВЛЕННЫХ Э.ШСГРОМАППГГНОЙ НАПЛАВКОЙ. ПУТЕМ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОКРЫТИЙ

05.20.03 - Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических, наук

Минск - 1997

Работа выполнена в Беларусском государственном аграрном техническом университете'(ВАТУ)

Научный руководитель - доктор Технических наук, профессор

Кожуро Л.М.

Официальные оппоненты: - член корреспондент АН Беларуси, ' . ' доктор технических наук, профессор

Н.Н.Дорожкин

-. кандидат технических наук, доцент Е.Э.Фельдштейн

Оппонирующая' организация: - Белорусский государственный

' научно-производственный концерн

порошковой металлургии

Защита состоится мая 1997г. в .часов на

заседании совета по защите диссертаций Л 02.31.02 Белорусского государственного аграрного технического университета по адресу: 220608,, г.Минск, проспект Ф.Скорины, 99, к.1, ауд.317.

С.диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БАТУ

Автореферат разослан " апреля 1997г.

Ученый секретарь совета по еащите диссертаций, кандидат технических наук, доцент A.B. Новиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации. Современные условия хозяйствования . предопределяют необходимость принятия решений, связанных с применением оптимальных технологий восстановления и упрочнения деталей машин с учетом ограниченной сырьевой базы Республики Беларусь. В значительной степени решение этой задачи может быть выполнено правильным выбором метода нанесения износостойких покрытий и технологических операций обработки последних, что позволит увеличить срок службы Деталей машин, а значит обеспечить ресурсо- и энергосбережение в народном хозяйстве.

В настоящее время в- ремонтном производстве особое внимание уделяется обеспечению повышенного ресурса восстановленных деталей по сравнению с новыми. Известно, чт® наибольшее число отказов (до 80%).обусловлено процессами изнашивания или комплексными -ричина-ми, где изнашивание играет доминирующую роль. Для незамкнутых три-ботехнических систем с неблагоприятными воздействиями окружающей среды, которые характерны для условий работы большого количества деталей сельскохозяйственных машин и механизмов, наиболее эффективными являются износостойкие покрытия.

Многообразие методов восстановления и упрочнения трущихся поверхностей объясняется тем, что ни один из них не может претендовать на универсальность. Это вызвано разнообразием видов изнашивания и условий работы машин, что и обусловливает? необходимость разработки и применения частных технологических мер повышения износостойкости изделий. . '.'. • • В связи с вышеизложенным, поиск новых способов воостановления и упрочнения поверхностей деталей, как технологический путь повышения износостойкости, является актуальной задачей.

Простым и доступным методом нанесения износостойких покрытий является электромагнитная наплавка (ЭМН). имеющиеся в литературных источниках' сведения об особенностях механической обработки покрытий, полученных ЭМН, и их свойствах освещены неполно. По этой причине прогрессивный технологический процесс восстановления и упрочнения деталей машин и оборудования ЭМН до настоящего времени, не получил широкого практического применения.

Потребность решения целого ряда научных и технических вопросов, связанных С обработкой покрытий, полученных ЭМН, создает важную научную задачу. Это предопределило актуальность данной работы' и необходимость ее выполнения.

Связь работа с крупными наушшми программами, темами. Работа выполнена в соответствии с постановлением Комиссии президиума СМ Республики Беларусь по вопросам научно-технического прогресса (протокол . N5 (123) от 1 декабря 1993г.); Государственной научно-технической программой фундаментальных исследований "Материал" (раздел 56). * '

Цель и задачи исследования. Цель работы - совершенствование технологии восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственных машин путем' механической обработки покрытий, полученных ЭМН; установление взаимосвязи способов и режимов обработки покрытий с их физико-механическими свойствами; освоение в производстве технологических операций- механической обработки покрытий на рабочих поверхностях деталей' машин типа тел вращения с требуемыми эксплуатационными свойствами. ...

В соответствии с поставленной целью в работе выполнены следующие задачи: '

1.' Проведен' анализ основных способов восстановления и упроч- ' нения деталей машин наплавкой и обрабатываемости износостойких покрытий.

•' 2. Разработан аналитический метод расчета остаточных напряжений в системе покрытие-основа и.установлено влияние основных факторов электромагнитной наплавки, поверхностного пластического деформирования и магнитно-абразивной обработки на их величину и характер.

3. Получены математические модели абразивного и алмазного шлифования и магнитно-абразивной.обработки электромагнитных покрытий, позволяющие выявить закономерности влияния технологических факторов на параметры процессов и.определить их оптимальные режимы.

4. Разработаны математические модели магнитно-абразивной обработки электромагнитных покрытий, позволяющие установить закономерности влияния технологических факторов процесса на физико-механические свойства покрытий. ■ '

5. Экспериментально обосновано влияние методов механической обработки на триботехнические характеристики электромагнитных покрытий. • >

„ 6. Внедрено в производство абразивное и алмазное шлифование и магнитно-абразивная обработка электромагнитных покрытий. Научная новизна полученних результатов соаюит в: - получении на основе теорий теплопроводности и прочности ма-.

тематических моделей для расчета остаточных напряжений в системе покрытие-основа, позволяющих управлять процессом электромагнитной наплавки и обеспечивать требуемые эксплуатационные свойства покрытий;

- установлении закономерностей изменения триботехнических характеристик электромагнитных покрытий; определяющих эксплуатационные свойства восстановленных деталей машин; -

- получении математических моделей механической обработки электромагнитных покрытий, позволяющих установить влияние технологических факторов процессов и химического состава порошка на параметры качества поверхностного слоя покрытий и определить оптимальные режимы абразивного и алмазного шлифования и мах нитно-абразивной обработки.

йГракшческая значимость полученных результатов. Полученные в настоящей работе результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также разработанные типовые технологические процессы механической обработки покрытий, полученных электромагнитной наплавкой легированных порошков на железной основе, могут быть использованы в различных отраслях промышленности, з частности, сельхозмашиностроении и автотракторной, для восстановления и упрочнения детапей, работающих в условиях абразивного износа.

Результаты работы внедрены в учебный процесс подготовки студентов технических специальностей вузов Республики Беларусь.

Экономическая значимость получетшх результатов. Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы а Пинской-райаг-ропромтехнике в 1992 году составил 773,5 тыс.руб. . и в Октябрьской райагропромтехнике Гомельской области в 1993 году - 54,6 млн. руб. Это дает возможность использовать разработанные технологические операции как коммерческий продукт для заинтересованных потребителей.

Основные положения диссертшщи, вивосимие на защиту. На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Математическая модель и алгоритм ее реализации на ЭВМ для расчета остаточных напряжений в.покрытии и основе при электромагнитной наплавке.

2. Математические модели процессов механической обработки электромагнитных покрытий, позволяющие установить закономерности влияния технологических факторов абразивного и алмазного шлифования и магнитно-абразивной обработки на параметры процессов и опре- ,

делить их оптимальные режимы.

3. Результаты исследования триботехнических характеристик исследуемых покрытий, позволяющие расширить их область применения.

4. Технологические операции механической обработки покрытий, полученных электромагнитной наплавкой легированных порошков на железной основе, повышающие износостойкость покрытий и снижающие себестоимость восстановления деталей машин.

Личный зклад соискателя. Основные научные и практические результаты диссертации, положения, выносимые на защиту, разработаны и получены лично соискателем или при его непосредственном участии.

Апробация результата диссертации. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на международной конференции "Технология отделочно-упрочняющей обработки в машиностроении" (Минск, 1994г.), республиканских конференциях: "Эффективные технологические процессы и оборудование для восстановления и упрочнения деталей i/ашин" (Пенза, 1991 г.), "Комплексные методы повышения надежности и долговечности деталей машин" (Новополоцк, 1993г.), "Повышение технического уровня и надежности машин" (Минск, 1993г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Белорусского аграрного технического университета 1993-1996г.г. и на кафедре."Технология металлов" БАТУ.

Опубликовтшость результатов. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы,* шести глав, выводов и списка использованных литературных источников из 135 наименований и 6 приложений. Работа содержит 216 страниц машинописного текста, в том числе 98 страниц текста, 31 рисунок, 21 таблицу. Приложения содержат 56 страниц машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование, актуальности исследований, раскрывается научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, определена 8адачи исследований.

В первой главе диссертации на основании литературных источников рассмотрены существующие представления о восстановлении и упрочнении изделий наплавкой и напылением, изложенные в трудах Витязя П. А., Дорожкин"а H.H., Спиридонова Н.В., Ивашко B.C., Кряжкова

В.М., Кондратьева Е.Т. и др. Показано, что различные схемы наплавки и напыления являются одним из наиболее гибких способов не только упрочнения рабочих поверхностей, но и восстановления и увеличения срока службы изнашивающихся деталей машин и механизмов. Вместе с тем повышенное тепловыделение при нанесении больших слоев искажает геометрию восстанавливаемой детали и снижает ее ресурс. В связи с этим применение способов с минимальным необходимым нагревом и малыми величинами припусков становится задачей первостепенной важности.

Отмечено, что простым и доступным методом нанесения износостойких покрытий является электромагнитная наплавка, к достоинствам которой следует отнести высокую прочность сцепления наплавляемого покрытия с основой, минимальное теплсвложение и расплавление материала основы, что исключает термическое деформирование обрабатываемых деталей. Сочетание ЭМН с поверхностным пластическим деформирование ОВД) способствует - повышению эксплуатационных свойств деталей.

В работах Ящерицына П.И., Кожуро Л.М., Шулева Г.С., Чемисова . Б.П., Гальго В.И. и др. широко представлены сведения об особенностях формирования электромагнитной наплавкой покрытий и их свойствах, технологических возможностях ЭМН и ЭМН с ППД, однако недостаточно освещены вопросы механической обработки электромагнитных покрытий. ЭМН является только одной из промежуточных операций восстанавливаемых и упрочняемых изделий, так как окончательная форма, размеры и комплекс их свойств формируются механической обработкой.

На основании анализа литературы было разработано направление дальнейших исследований как по обрабатываемости электромагнитных покрытий, так и по изучению процессов трения и изнашивания последних с целью увеличения ресурса деталей машин.

Во второй главе представлены материалы порошков, методики исследований и экспериментальное оборудование.

В работе в качестве материалов исследуемых ферромагнитных порошков использовали двухкомпонентные сплавы на основе железа (Fe-V, Fe-Ti); высокоуглеродистый эвтектический сплав (С-300); быстрорежущие стали (Р6М5К5, Р6М5ФЗ); сталь 45, упрочненную бором; ферросплав (Fe-B) и порошок железа ПЖР82. Обусловлено это тем, что они должны обладать хорошими магнитными свойствами, иметь невысокую температуру плавления, обеспечивать прочное сцепление с осно-

вой, а также быть износостойкими и хорошо обрабатываться. Экспериментальные исследования проводили на образцах из стали 45.

Определение содержания остаточного аустенита, величины и знака напряжений 1-го рода и характеристик тонкой кристаллической структуры поверхностного слоя в образцах проводилось .методами рентгеноструктурного анализа по стандартным методикам. Рентгеност-руктурные исследования осуществлялись на дифрактометре ДРОН-ЗМ с ионизационным методом регистрации рентгеновских интерференционных максимумов. Съемка велась в кобальтовой немонохроматизированном излучении.

Испытания на износостойкость покрытий проводили в условиях гидроабразивного изнашивания при трении скольжения на машине 2070 СМТ-1 по схеме "вал-колодка"- линейным методом. Покрытия толщиной 1 мм на диаметр наносили на образцы из стали 45 с наружным диаметром 40, внутренним 16. и высотой 12 мм, подвергнутые нормализации и закалке .с нагрева ТВЧ на глубину 1,5-1,8 мм. Колодка из чугуна ХТВ ГОСТ 3185-74 имела высоту. 10 мм, что позволяло сохранить измерительную базу, так гак по краям образцов оставались цилиндрические ленточки.. Измерение образцов производили в двух взаимноперпендику-лярных плоскостях по двум сечениям, колодку замеряли в центральной радиальной плоскости по двум сечениям, используя оптический длин-номер ИЗВ-1, точность измерения которого составляла 0,001 мм.

Исследование обрабатываемости электромагнитных покрытий проводили с применением математического планирования экспериментов. При исследовании обрабатываемости покрытий абразивными и алмазными кругами использовали план первого порядка, а при магнитно-абразивной обработке (МАО) - план второго порядка. При этом оптимизацию МАО производили по нескольким параметрам методом спирального координатного спуска по обобщенной функции желательности Харрингтона по математическим моделям, полученным с применением центрального композиционного ротатабёльного униформ-плана.

ЭМН й ЭМН с П1Щ осуществляли на установке, изготовленной на базе токарно-винторезного станка модели 16К20, источником тока у которой являлся выпрямитель. ВД-401, позволяющий регулировать силу тока в пределах 60-500 А. При нанесении покрытий ЭМН с ППД применялся одношариковый накатник.

Третья глава посвящена разработке аналитического метода определения остаточных напряжений в системе покрытие-основа и установлению закономерностей влияния основных технологических факторов

ЭМН и химического состава порошка на их величину и характер.

Известно, что остаточные напряжения определяют качество покрытий, которое устанавливает ресурс работы восстановленных и упрочненных деталей машин. Так, наличие в покрытии трешин , сколов и др. дефектов обусловлено в основном растягивающими остаточными напряжениями в последних.

При определении остаточных напряжений в системе покрытие-основа приняли следующую модель процесса: при ЭМН возникает подвижное квазистационарное температурное поле; напряжения в слое г момент его формирования отсутствуют; остаточные напряжения в системе покрытие-основа возникают в результате охлаждения заготовки до температуры окружающей среды. Наплавленное покрытие рассматривали как сплошную среду, что позволяло решать задачу в рамках феноменологических теорий механикч сплошной среды и теплообмена.

Задачу описали обобщенным законом Гука с добавлением температурных деформаций

6r = 2G.(£r+_3|__.ecp)J^. .eT(r). 6t = 2G.(Et + i|_.Scp) _-L_..eT(r).

б2 - JH-te + А- -Вер) - •<* тег).

Здесь бг, 6t, б2 - радиальное, тангенциальное и осевое напряжения соответственно; G - модуль сдвига; sr, st, - радиальная, тангенциальная и осевая деформации соответственно; и - коэффициент Пуассона; scp= (er + et + Sz)/3 - средняя деформация; Е - модуль упругости; а - коэффициент линейного расширения; Т - температура заготовки; г - текущий радиус цилиндрической заготовки.

О наступлении опасного состояния покрытия судили по эквивалентным напряжениям, определяемым' по энергетической теории прочности

бэкв - /1,5 С(бг - бО2 + (61 - б2)2 + (б2 *• бг)*3 •

Полученные расчетные соотношения позволили составить программу для численных исследований остаточных напряжений в системе покрытие-основа на поверхностях тел вращения.

а

Для определения остаточных напряжений были установлены упругие характеристики для материалов покрытий (модуль упругости первого рода, коэффициенты линейного расширения и Пуассона).

Исследования показали, что для всех исследуемых покрытий в зависимости от условий наплавки остаточные напряжения изменяются в широких пределах. Характер распределения остаточных напряжений не изменяется: в покрытии формируются растягивающие тангенциальные и сжимающие радиальные, в основе - сжимающие тангенциальные и радиальные. Наибольшие напряжения достигаются на границе раздела покрытия с основой.

Проведенные экспериментальные исследования остаточных напряженки в покрытии и основе подтвердили достоверность численных результатов определения напряжений, так как расхождение не превышало 12%.

Четвертая глава посвящена комплексным исследованиям обрабатываемости покрытий, полученных ЭМН и ЭМН с ППД, абразивным и алмазным шлифованием и МАО. Применение этих методов обусловлено тем, что при механической обработке заготовок с покрытиями возникает более сложное, чем при обработке компактного однородного материала, напряженно-деформационное состояние и в силу того, что толщина покрытия находится в пределах 0,3-0,5 мм.

Единой универсальной характеристики обрабатываемости нет, так как ее оценка имеет всегда относительный характер. Поэтому в качестве критериев обрабатываемости использовали съем материала (производительность процесса СО для черновой и параметры шероховатости поверхности Яа, Нщах, НтхП и 1р для чистовой обработки.

Исследование обрабатываемости, покрытий абразивным шлифованием проводили в три этапа. На первом этапе решалась задача выбора шлифовального круга при обработке покрытия, из порошка Ее-гХУ. Применяли круги из различных видов электрокорунда зернистостью 16-40, карбида кремния зеленого зернистостью 40 на керамической связке и алмазный круг. Образцы обрабатывали при следующем режиме: окружная скорость круга Ук=30 м/с; окружная скорость образца Уд=3б м/мин; поперечная подача оп* 0,01 мм/дв.ход; число двойных ходов пв = 5; СОЖ - 5%-й раствор эмульсола Э2 в воде.

Установлено, что для обработки покрытий абразивным шлифованием наиболее универсальны среднемягкие круги из электрокорунда белого и.нормального зернистостью 25-40 на керамической связке. Их можно использовать 'как при черновой, так и при чистовой обработке,

так как использование вулканиговой связки снижает съем примерно вдвое. Наихудшие результаты по производительное!л показали круги из карбида кремния зеленого. Это отличается от известных представлений о работоспособности'таких кругов, однако может быть объяснено, если 'учесть, что в диапазоне температур 750-850°С твердость зерен электрокорунда несколько выше твердости зерен карбида кремния. Вероятно, именно эти температуры имеют место в зоне контакта круга 64С40Ш37К5 с покрытием. Алмазный круг АСР125/100 С2 100 51 выявил высокие результаты по исследуемым параметрам как при обработке покрытий с ППД, так и без него, но большая часть поверхности обработанных заготовок содержит прижоги. Последнее обстоятельство объясняется взаимодействием алмазов с железом обрабатываемого покрытия, что вызывает интенсивное затупление зерен и возрастание температуры шлифования.

Обрабатываемость покрытий, полученных ЗМН с ППД, при черновой обработке незначительно лучше, чем при чистовой, что связано с уплотнением поверхностного слоя и повышением его твердости. Однако существенных отличий как в целом, гак и по кругам в отдельности не наблюдалось.

На втором этапе исследований рассматривалось влияние режимов шлифования на производительность и качество обработанной поверхности. Режимы обработки варьировались в диапазоне Уд= 20-40 м/мин, Эп= 0,005-0,020 мм/дв.ход, 3Пр= 1-4 м/мин, пв=1-4. обработку образцов с покрытием из-порошка Ге-2производили шлифовальным кругом 15А40НС27К6 с охлаждением 5£-м раствором эмульсола в воде.

Установлено, что закономерность изменения исследуемых параметров от технологических факторов при обработке покрытий, полученных как ЗМН,. так и ЭМН с ППД, одинакова. Зависимости практически линейны. Различия только в значениях, характеризующих степень влияния величины того или другого фактора на параметры процесса. Так, при увеличении продольной и поперечной подач производительность резко увеличивается, а шероховатость обработанной поверхности ухудшается. В тоже время при увеличении скорости заготовки и числа проходов выхаживания производительность изменяется незначительно.

Анализ полученных зависимостей позволил рекомендовать для обработки покрытий, полученных ЭМН, следующий режим: Ук » 30 м/с; Уд » 40 м/мин; Бпр - 1-3 м/мин; Бп * 0,005-0,ОШ мм/дв.х.; пв = 3-4. Для обработки покрытий, сформированных ЭМН с ППД, продольную педа-

-у следует увеличить до 2-3 м/мин,' а поперечную - до 0,010-0,015 мм/дв.ход.

На третьем этапе исследовали обрабатываемость покрытий, полученных ЭМН и ЭМН о ППЦ, на основе ферропорошков из различных материалов по критериям Q., Ra и tp. Обработку образцов производили шлифовальным' кругом 15А40НС27К6 с применением СОЖ при следующем режиме: VK = 30 м/с; Уд = 36 м/мин; Snp =1,7 м/мин; Sn « 0,010 мм/дв.х.; пв » 3.

Результаты исследований показали, что метод нанесения покрытий не оказывает существенного влияния на обрабатываемость последних. В тоже время химический состав материалов ферропорошков влияет на обрабатываемость покрытий. Из широкой номенклатуры покрытий наилучшие ревулътаты с точки зрения как производительности, так и качества обработанной поверхности показали материалы на основе феррованадия и фэрротитана. Наилучшие показатели по качеству обработанной поверхности дали материалы из быстрорежущих сталей и фер-робора.

Далее в главе излагаются исследования обрабатываемости электромагнитных покрытий в зависимости от конструкции круга, способа охлаждения и режима шлифования. За показатель обрабатываемости принята температура в зоне резания, которую определяли с помощью термопары.

Для проведения исследований был изготовлен алмазный круг на пористой металлической связке с ориентированными алмазными зернами, который обеспечивал подачу СОЖ в зону резания и наилучшие условия обработки за счет ориентации зерен относительно плоскости резания.

Эксперименты проводили при плоском шлифовании периферией круга образцов с покрытиями из порошка Fe-2ZV кругами: абразивным 15А40НС27К6, алмазным АС6125/100М 4 и алмазным АС6125/100 МП1 4 на пористой металлической связке с ориентированными алмазными зернами на станке модели ЗВ64. Образцы шлифовали без-охлаждения, при обычном способе подачи СОЖ поливом и через поры круга-в зону резания. В качестве СОЖ применяли 3%-й водный раствор кальцинированной соды. Диапазон режимов резания: VK = 20 - 40 м/с; S.- 1,5 - 3 м/мин; t = 0,01 - 0,02 мм.

Результаты исследований позволили определить режимы шлифования электромагнитных покрытий, при которых температура в зоне резания не превышает'500°С. Так, при шлифовании алмазным кругом на

пористой связке с ориентированными зернами и охлаждением через поры круга наиболее приемлем следующий режим: VK =30 м/с, S =2 м/мин. t = 0,015 мм; при охлаждении поливом - VK = 25 м/с, S = 1,5 м/мин, t = 0,01 мм. Для обычного алмазного круга с охлаждением поливом -VK = 20 м/с, S = 1 м/мин, t = 0,01 мм, а для абразивного круга с охлаждением поливом - VK = 20 м/с, S =' 1 м/мин, t = 0,005 мм.

В главе с целью выявления эффективности МАО покрытий, 'полученных ЗМН с ППД, определялось влияние МЛС на качество и производительность процесса; а также установлен оптимальный режим обработки: окружная скорость заготовки V = З.м/с; магнитная индукция В = 1 Тл; рабочий зазор б = 1,4 мм; амплитуда осцилляции А = 1,5 мм; время обработки т = 60 с.

Установлено, что влияние технологических факторов в порядке убывания их значимости на шероховатость поверхности Ra можно рас-' положить в следующий ряд: t-»6-»v-»B-»-A, а на съем Q материала покрытия ■ ■ х -» В б -*■ V

Показано, что МАО покрытий, имешях исходную шероховатость поверхности Ral,б и твердость 50-56 HRC3, па оптимальном режимр обеспечивает Ra0,08, при эгом исключается шаржирование, прижоги, вырывы частиц поверхности, происходит сглаживание острых кромок.

Пятая глава посвящена комплексным исследованиям физшо-меха-ничэских и эксплуатационных свойств поверхностного слоя электро ■ магнитных покрытий.

Исследования включали изучение влияния основных технологических факторов МАО на содержание остаточного аустенйта, величину и знак напряжений 1-го рода и характеристики.тонкой .кристаллической структуры поверхностного слоя покрытия, полученного ЭМН с ППД и обработанного на оптимачьном режиме абразивным шлифованием, определение оптимального режима МАО по вышеуказанным параметрам, а также установление влияния методов механической обработки (тонкое шлифование,- полирование, МАО) на износостойкость и коэффициент трения электромагнитных покрытий.

Важность изучения указанных параметров обусловлена тем, что с ними связаны процессы упрочнения. и износостойкости, обеспечивающие ресурс деталей машин.

Исследования физико-механических свойств поверхностного слоя покрытий проводили при помощи методов рентгеноструктурного анализа и математического планирования экспериментов, применялся центральный композиционный ротатабельный униформ-план второго порядка.

Образцы из стали 45 диаметром 40 мм длиной 50 мм наплавляли порошком С-300 и шлифовали абразивным кругом 15А40НС27К6 с охлаждением 5%-м раствором эмульсола Э2 в воде на оптимальных режимах. После обработки образцы шлели шероховатость поверхности Ral,6 -Ral,25 и следующие физико-механические параметры исходного поверхностного слоя образцов: процентное .содержание остаточного аустени-та А <• 26%; напряжения 1-го рода 6i » - 0,80 ГЛа; напряжения П-го рода б2 = 0,19.ГПа; дисперсность блоков когерентного рассеяния D 127 нм. -

.' Независимыми переменными МАО взяты следующие факторы: Xi « В - величина магнитной индукции.в рабочем зазоре, Тл; X¿ = t - время обработки, ■,с; Хз = Д - зернистость порошка, мкм. Выбор этих факторов обусловлен тем', что,-как показали наши исследования, они оказывают • наибольшее влияние- на параметры качества поверхностного слоя покрытия, сформированного МАО. Функциями отклика служили параметры У1 « А; у г. = 6i; уз= бг: У4= D. Постоянными опытов были приняты: окружная скорость образца V -=1,5 м/с; скорость осцилляции Vocir 0,2'м/с; магнитно-абразивный порошок Ж15КТ; СОЖ - 10%-й раствор эмульсола 92 в воде. .

' Получили следующие уравнения регрессии второго порядка:

У1= 15,80 +0,40X1 " 2,20X2 - 0,88Хз + О.гвХгХг -,. - 0,35Xi'Хз + О,68X12 +0.60Х22 +0,ЗбХз2; (1)

Уг= 1,75 - 0,18X1 - 0,23X2 - 0,22Хэ + О.вБХгХг -

0,14Xi2 + 0,16Х22 - 0,07Хз2-, (2)

УЗ- O.L75 + 0.021X1 + 0.013X2 + 0,032Хз -O.OOSXi'X* -

.- 0,009Xi2 - Р.007Х22 + 0,007Хз ; (3)

У4» '52,16 - Xi - 7,25X2 - 12,25Хэ + B.OOXi'Xg +

+..5,00Х2-Хз + 6,50Xiz + 3,37X2Z + 7,13Хз2. (4)

. Полученные уравнения регрессии (1) - (4) позволили найти значения исследуемых.факторов, обеспечивающих оптимальные физико-механические параметры качества сформированного МАО поверхностного слоя'покрытия.- Результаты расчета сведены в таблицу, из которой видно, что каждому оптимальному физико-механическому параметру качества поверхностного слоя соответствуют свои факторы. Однако различия последних невначительны.

Для определения оптимального рёжима МАО по параметрам физи-

Таблица

Физико-механические параметры качества сформированного МАО поверхностного слоя покрытия из порошка С-300 -т. и факторы их обеспечивающие

NN Наименование Значение Значение факторов

п/п параметров параметров В, Тл с Д.мкм

1. Процентное содержание . 280/

остаточного аустенита А, X 15,6 1.0 •60 240

2. Знак и величин! напряжений 280/

1-го рода 61, ГПа -1,82 0,9 56 240

3. Величина напряжений П-го 320/

рода бг, ГПа 0,36 1,2 62 280

4. Дисперсность блоков коге- 1,2 60 280/

рентного рассеяния. Э, нм 46,0 240

ко-механических свойств поверхностного слоя покрытия решали задачу с четырьмя параметрами оптимизации, применив метод перебора различных вариантов, который позволяет решать компромиссные задачи поиском условного экстремума по моделям (1) - (4). Используя комплексный показатель параметров оптимизации МАО электромагнитного покрытия, за который была принята обобщенная функция желательности Харрингтона,' методом спирального координатного спуска получен оптимальный режим: В = 1 Тл; I = 60 с; Д = 580/240 мкм.

Для установления эффективности механической обработки на финишных операциях были проведены сравнительные испытания на износостойкость электромагнитных покрытий, наплавленных порошками: С-300, Ге-10ХУ, Р6М5К5.

Установлено, что износостойкость электромагнитных' пркрытий зависит от метода механической обработки и химического состава материала порошка. Так, износостойкость покрытий из порошка С-ЗОО, сформированных МАО, в 2 раза выше износостойкости 'покрытий, обработанных тонким шлифованием и в 1,5 раза - полированием. Обусловлено это тем, что после МАО поверхность образцов характеризуется большей опорной площадью, чем после полирования и тем более после тонкого шлифования. Поэтому фактическая нагрузка на-площадки после МАО меньше, чем' в случае, когда образец обработан каким-либо другим из перечисленных способов. Наибольшей износостойкостью облада-

ют электромагнитные покрытия из порошка С-300, наименьшей - кз порошка Рё-ЮХУ. • •

_, В шестой главе излагается.разработанный типовой технологически^ процесс восстановления и упрочнения деталей типа тел вращения (валов, • осей', штоков и др.), у который посадочные поверхности под подшипники, . зубчатыз колеса, неподвижные соединения, уплотнения и др. изношены до 0,3 мм.

Типовой технологический процзсс состоит из следующих этапов: 1 подготовка деталей (поверхности) к наплавке; ■ - наплавка покрытия;.

. - механическая обработка покрытия; - контроль качества покрытия.

В главе приводятся результаты внедрения работы в Пинской и Октябрьской райагропромтехнике.

4 Приложения к' диссертации содержат исходный текст программы для расчета остаточных напряжений в системе покрытие-основа, результаты расчета на' ЭВМ остаточных напряжений по толщине покрытия и основы при различной температуре нагрева поверхности основы, ак--ты внедрения результатов работы в производство.

ВЫВОДЫ

1. Разработац аналитический метод расчета остаточных напряжений при электромагнитной наплавке в системе покрытие-основа, на основании которого получена математическая модель, позволившая установить закономерности влияния основных технологических факторов наплавки'на величину и характер формирования остаточных напряжений. Выявлено, что для покрытий в зависимости от условий наплавки величина остаточных напряжений изменяется в пределах 200 - 650 МПа, в основе - 4 —¿7 МПа, характер их распределения не изменяется: в покрытии формируются растягивающие тангенциальные и сжимающие радиальные напряжения, в основе - сжимающие тангенциальные и радиальные. 'При дополнительной обработке покрытий поверхностным пластическим деформированием как в покрытии, так и в основе формируются остаточные напряжения сжатия. Последующее шлифование покрытий и магнитно-абразивная, обработка увеличивают градиент остаточных напряжений сжатия, которые для покрытий из порошка С-300 составляют 1,82 ГПа. ; . '

ч 2. Установлено, что • увеличение теплонапряженности процесса электромагнитной наплавки за счет повышения разрядного тока приводит к росту термопластических деформаций в системе покрытие-основа. Так, изменение разрядного тока .от 100 до 160 А увеличивает ос-

таточные напряжения в 2,2 раза. Наибольшие остаточные напряжения в покрытиях достигаются на границе раздела покрытия с основой.

3. Определено, что для обработки покрытий, полученных электромагнитной наплавкой, абразивным шлифованием наиболее эффективны среднемягкие круги из злектрокорундов белого и нормального зернистостью 25...40 мкм на керамической связке. Их можно использовать как при черновой, так и чистовой обработке покрытий. При этом окружную скорость круга эффективно принимать 30-50 м/с; окружную скорость заготовки - 35-40 м/мин; продольную подачу - 1 - 2 м/мингпоперечную - 0,005 - 0,01 мм/дв.ход; число проходов выхаживания - 2 - 3.

4. Показано, что при шлифовании электромагнитных покрытий, полученных электромагнитной наплавкой, алмазным кругом на пористой металлической связке с ориентированными алмазными зернами и подачей СОЖ через поры круга температура в зоне резания не превышает 400°С. При этом наиболее эффективен следующий режим шлифования: окружная скорость круга 30.м/с; продольная подача 2 м/мин; глубина шлифования 0,015 мм.

Шлифование покрытий алмазным кругом, алмазным кругом с ориентированными зернами и подачей СОЖ поливом и алмазным кругом на пористой металлической связке с ориентированными зернами и подачей СОЖ через поры круга обеспечивает снижение температуры в зоне обработки соответственно в 1,4; 1,8 и 2,2 раза по сравнению с абразивным шлифованием.

5. Определен оптимальный режим магнитно-абразивной обработки электромагнитных покрытий: магнитная индукция в рабочем зазоре 1 Тл; рабочий зазор 1,4 мм; окружная скорость заготовки 3 м/с; амплитуда осцилляции 1,5 мм; время обработки 60 с. 6. Установлено, что износостойкость электромагнитных покрытий зависит от химического состава материала порошка и метода механической обработки. Так, износостойкость покрытий, сформированных магнитно-абразивной обработкой, в 2 раза выше износостойкости покрытий; обработанных тонким шлифованием, и в 1,5 раза - полированием для покрытия из порошка С-300; для покрытий из порошка Р6М5К5 соответственно 2,1 и 1,75, а.для покрытий из порошка Fe-10%V - 1,7 и 1,3.

Наибольшей износостойкостью обладают электромагнитные покрытия из порошка С-300, наименьшей - из порошка Fe-lOXV.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: 1. Щукин B.C. Влияние технологических факторов магнитно-абразивной обработки на качество покрытий, получ'енных электромагнитной наплавкой /В сб.: Современные материалы, оборудование и техно-

логии упрочнения и восстановления деталей машин. - Новополоцк: НИИ, 1993.

2. Афанасенко Е.В., Романова Т.К., Щукин B.C. Оптимизация комбинированного метода электромагнитной наплавки и поверхностного пластического "деформирования /В сб.: Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин: -Новополоцк:'НИИ, 1993. . ...

3. Яцерицьш'П.И., Леев Г.А., Кожуро Л.М., Щукин B.C. Магнитно-абразивная обработка покрытий, полученных электромагнитной наплавкой // Весц! АН Беларус!. .Сер.ф1з.-тэхн.навук.- 1993. N4.

.4. Шипко A.A. , Кожуро Л.М., -Хейфец М.Л., Щукин B.C. Восстановление деталей машин электромагнитной наплавкой с поверхностным пластически деформированием / В сб.: .Технология ремонта машин и механизмов..' - Киев: УДЗНТЗ, 1994. '

14 5. Шадуя-В.Л., Кожуро.С.Л., Щукин B.C. Влияние технологических факторов■шлифования на производительность и качество поверхности покрытий, полученных электромагнитной наплавкой / В сб.: Новые материалы и'технологии.- Минск: Номатех, 1994.

6. Афанасенко Е:В., Тальго С.И., Иванов A.A., Щукин B.C. Оптимизация комбинированого метода электромагнитной наплавки и поверхностного пластического деформирования / В сб.: Новые-материалы и технологии,- Минск: Номатех, 1994.

7. Акулович ,Л. М., Науменко Л.И., Романова Т.К., Щукин B.C. Рентгеноструктурные исследования электромагнитных покрытий /В сб.: Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин.- Новополоцк: ПТУ, 1995.

8. Кожуро Л.М., Щукин B.C., Дымар О.В. Определение упругих характеристик электромагнитных покрытий // Весц! АН Беларус1. Сер.ф1з.-тэхн.навук. -1995. N3.

9. Кожуро Л.М., Щукин B.C., Хилько Д.Н. и др. Физико-механические и эксплуатационные свойства покрытий, полученных электромагнитной наплавкой // Весц! АН Беларус1. Сер.ф1з.-тэхн.навук. -1997. N 1. '

10. Щукин B.C., Кожуро С.Л., Шадуя В.Л. Обработка электромагнитных покрытий абразивным шлифованием / В сб.: Технологическое обеспечение работоспособности деталей-машин, механизмов и инструмента. - Киев; УДЭНГЗ, 1997.

11. Акулович Л.М., ЗаОавйкий М,Т., Макаревич С..С., Щукин B.C. Структура покрытий,' полученных электромагнитной наплавкой с поверхностным пластическим деформированием / В сб.: Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин. - Новополоцк: ПГУ, 1997.

Р Э 3 ю « э

ШЧУК1Н В1ктар Сяменав1ч

ТЭХНАЛДГ1ЧЧЛЕ ЗЛЕЕСПЯЧЭШ1Е РЭСУРСУ ДЭТАЛЯУ МММ, АДНОУЛШХ ЭЛЕЖТРМАГШТиАЙ НЛПШ&'Я, ШПЯШ МЕХМИЧНАЙ АПРЩ0УК1 ПАКРШЩЯУ

Юиочавия словы: абраэ!унае 1 дыяментавае,шл1фаванне, науленне, магн!гна-абраз1уная апрацоука, магШтнае поле, напру-, жання, пакрыцце, умацаванне, парашок, электрамагнИнач наплау-ка. ^ .

Аб'ектам даследавання з'яуляеода механ!чная апрацоука электрамагн1тных пакрыццяу.

Мэ.тл прзды - удасканальванне тэхналогП аднаулення 1 ума-цавання дэталяу сельскагаспадарчых машын шляхам механ1чнай ал-рацоук! пакрыццяу, атрыманых ЭМН; устанауленне узаемасувяз: спосабау 1 рэжымау апрацоук! пакрыццяу з 1х Ф1з1ка-механ1чным1 уласц1взсцям!; асваенне у вытворчасц1 тэхналаг!чных аперацый механ!чнай апрацоук! пакрыццяу.на рабочых паверхнях дэталяу машын тыпу целау вярчэння з патрэбным1 эксплуатацыйным! уласц1-васцям!.

У працы выкарыстоуваюцца метады тэоры1 электрамагнетызму, цеплаправоднасц!, пругкасц! 1 пластычнасц1, энергетычнай трыва-ласц:, матэмагычнай статыстык1 1 планавання эксперыментау, а таксама эксперыментальныя метады вывучэння паверхневага слоя а " дапамогай рэнтгрнаструктурнага анал1зу. .

Распрацаваны анал!тычны метад раэл1ку астаткавач напру-жанняу у с1стэме пакрыцце-аснова 1 установлены упдыу асноуных фактарау электрамагн!тнай наллаук1 1 магн!тна-абраз1унай апра-цоук1 на 1х вел!чыню 1 характер. Атрыманн матэматычныя мадэл! абраз1унага 1 дыяментавага шл1фавання 1 магн1тна-абраэ1унай ап-рацоук! электрамагн1тных пакрыццяу, як1я яазваляэдь выяв!ць за-канамернасц! уплыву тзхналаПчных фактарау на параметры працз-сау 1 вызначыць 1х аптымапьныя рэжымы.

Вынн:1 працы могуць быць ' выкарастаны у розных гал1нах многанаменклатурнай дробнасерыйнай рамонтнай I машнабудаун1чай вытворчасц! для аднаулення 1 умацавання дэталяу машын.

РЕЗЮМЕ

ЩУКИН Виктор Семенович ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ МАНИИ, ВОССТАНОВЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ НАПЛАВКОЙ, ПУТЕМ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ• ПОКРИТИЙ

Ключевые слова: абразивное и алмазное шлифование, восстановление, магнитно-абразивная обработка, магнитное поле, напряжения, покрытие, упрочнение, порошок, электромагнитная наплавка.

Объектом исследования является механическая обработка электромагнитных покрытий.

Цель работы - совершенствование технологии восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственных машин путем механической обработки покрытий, полученных ЭМН; установление взаимосвязи способов и режимов обработки покрытий с их физико-механическими свойствами; освоение в производстве технологических операций механической обработки покрытий на рабочих поверхностях деталей машин типа тел вращения с требуемыми эксплуатационными свойствами.

В работе используются методы теории электромагнетизма, теплопроводности, упругости и пластичности, энергетической прочности, математической статистики и планирования экспериментов, а также экспериментальные методы изучения поверхностного слоя с помощью рентгеноструктурного анализа.

Разработан аналитический метод расчета остаточных напряжений в системе покрытие-основа и установлено влияние основных факторов электромагнитной наплавки и магнитно-абразивной обработки на их величину и характер. Получены математические модели абразивного и алмазного шлифования и магнитно-абразивной обработки электромагнитных покрытий, позволяющие выявить закономерности влияния технологических факторов на параметры процессов и определить их оптимальные режимы.

Результаты работы могут быть использованы в различных отраслях многономенклатурного мелкосерийного и серийного ремонтного и машиностроительного производств для восстановления и упрочнения деталей машин.

S U f I MARY Victor Semenovlch SHCHYUKIN TECHKOLOSICAL GUARANTY OF MACHINE PARIS RESOURCE, RESTORED BY ELECTROMAGNETIC tSLT-SURFACIHG, THROUGH THE MACUIHIUG OF COATINGS

Key words: abrasive and diamond polishing, restoration, magnetic-abrasive treatment, magnetic field, tensions, coating, strengthening1, powder, electromagnetic melt-surfacing.

The subject of research is the machining of electromagnetic coatings.

The aim of the work is to perfect the technology of restoring and strengthening the farm machine parts by means of machining the coatings, carried out by electromagnetic melt-surfacing; to dico-ver the correlation between methods and conditions of machining the coatings and their physico-mechanical properties; to master, In the course of technological operations, the machining of coatings on the working surfaces of machine parts of rotation body-type with required operational properties.

Applied in the work are methods of theory of electromagnetism, heat conductivity, elasticity and plasticity, energy stability, mathematical statistics and experiment planning as well as experimental methods of studying the surface layer with the help of roentgenostructural analysis.

Worked out has been the mode of calculation of residual tensions in the coating- base system and found out the influence of the main factors of electromagnetic melt-surfacing and magnetic-abrasive treatment on the values and character of those residual tensions.

The mathematical models of abrasive and diamond polishing and magnetic-abrasive treatment of electromagnetic coatings, which models allow to discover the law-governed regularities of influence of technological factors on the parameters of processes and to determine their optimum conditions, have been obtained.

The results of the' work can be applied in various branches of multi-nomenclature small-serial and serial repair and machine-building manufacturing for restoration and strengthening of machine parts.

ЛВ N1293. Подписано к печати_ 3.04.1997г. Формат 60x84 1/16. Объем 1,0 печ.л. Заказ 167. -. Тираж 100. Бесплатно.

Отпечатано на ротапринте БАТУ. 220023, Минск, пр-т Ф.Скорины,99, к.2.