автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Восстановление автотракторных деталей электроконтактной приваркой композиционных материалов

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Условия работы узлов трения и пути повышения их ресурса.

1.2 Классификация композиционных покрытий и методов их получения.

1.3 Присадочные материалы для получения композиционных покрытий.

1.4 Выбор способа нанесения композиционных материалов на изношенные поверхности деталей.

1.5 Способы электроконтактной приварки порошковых материалов.

1.6 Цели и задачи исследований. 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.г.

2.1 Обоснование выбора присадочного материала и схемы технологического процесса приварки.

2.2 Расчет угла подачи металлического порошка.

2.3 Обоснование возможности регулирования толщины привариваемого покрытия.

2.4 Исследование уплотнения порошка в ячейках сетки.

2.5 Выводы по теоретическим исследованиям.

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Общая методика исследований. 3.2 Методика определения технологических свойств металлических порошков

3.3 Методика оценки потерь порошка от осыпания.

3.4 Методика исследования усадки порошка и толщины формируемого слоя.

3.5 Методика измерения прочности сцепления композиционного покрытия с основным металлом.

3.6 Методика исследования макро- и микроструктуры.

3.7 Методика измерения твердости и микротвердости.

3.8 Методика измерения пористости покрытий. ф 3.9 Методика определения износостойкости композиционных покрытий.

3.10 Методика оценки характера изнашивания композиционного покрытия.

3.11 Методика производственной проверки деталей, восстановленных электроконтактной приваркой композиционного покрытия.

3.12 Статистическая обработка результатов исследований.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Исследование особенностей ЭКП порошков в ячейках сетки.

4.1.1 Влияние технологических свойств металлических порошков и размеров сетки на формирование покрытия.

4.1.2 Влияние угла подачи на потери порошка от осыпания.

4.1.3 Влияние параметров режима электроконтактной приварки на формирование покрытия, качество соединения с основой и свойства.

4.1.4 Исследование толщины наносимого покрытия на детали различного диаметра.

4.2 Исследование качества и свойств приваренного покрытия.

4.2.1 Металлографический анализ и оценка пористости покрытий.

4.2.2 Твердость и микротвердость.

4.2.3 Результаты испытания образцов на изнашивание.

4.3 Результаты эксплуатационных испытаний.

4.4 Выводы по результатам экспериментальных исследований.

5 ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИВАРКОЙ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ.

5.1 Технология восстановления деталей ЭКП композиционного материала на основе металлического порошка и сетки.

5.2 Расчет экономической эффективности внедрения в производство разработанного технологического процесса.

Подавляющее большинство современных машин и механизмов имеют подвижные сочленения, обеспечивающие возможность выполнения ими рабочих функции, связанных с передвижением, подъемом грузов, обработкой материалов, скользящими уплотнениями и т.п. От материалов, из которых изготавливаются данные узлы трения, требуются, как правило, низкие значения потерь энергии на трение и высокая износостойкость. Для удовлетворения указанных требований созданы различного рода пары трения, в которых, чаще всего в паре со стальной деталью, используются антифрикционные литые материалы на основе цветных металлов типа бронз и баббитов, композиционных антифрикционных материалов, материалов на основе полимеров и некоторых других. Однако в связи с непрерывно повышающимися параметрами работы машин и механизмов в большинстве случаев материалы, работающие в узлах ц трения, выходят из строя значительно раньше, чем другие части машин. При этом по данным ВНИИТУВИД «Ремдеталь» 85% деталей машин теряют работоспособность при износах не более 0,2.0,3 мм, а в машинах, поступающих на ремонт, годных деталей для эксплуатации до 45%, подлежащих восстановлению — до 50% и только 5.9% - не подлежат восстановлению /113/.

В настоящее время в стране происходит расширение парка зарубежной сельскохозяйственной техники. Несмотря на их высокую надежность, отказы, связанные с износом рабочих поверхностей деталей все же происходят. Следует отметить, что технический сервис и стоимость запасных частей на импортную технику на порядок выше отечественных аналогов. Все это говорит о значительных затратах на ремонт и целесообразности восстановления деталей. В действительности, восстановление деталей в АПК еще более снизилось. Одной из причин этого является низкое качество восстановленных деталей. Поэтому

• для увеличения конкурентной способности восстанавливаемых деталей необходимо внедрять наиболее рентабельные способы восстановления деталей машин и использовать недефицитные присадочные материалы, обеспечивая при этом ресурс восстановленной детали на уровне ресурса новой детали.

В последнее время особое значение приобретают ресурсосберегающие технологии, реализуемые без существенного увеличения материальных затрат. Это в полной мере относится и к технологиям восстановления изношенных автотракторных деталей. Одним из способов реализующих ресурсосберегающие технологии является способ электроконтактной приварки (ЭКП). Положительными свойствами ЭКП являются: отсутствие нагрева детали, возможность приварки стальной ленты, проволоки и металлических порошков с заданными свойствами, уменьшение расхода металла (по сравнению с наплавкой) в 2.4 раза, отсутствие выгорания легирующих элементов /3/. Вместе с тем, пути расширения технологических возможностей данного способа далеко не исчерпаны.

В направлении расширения технологических возможностей способа ЭКП представляет интерес применение и разработка новых перспективных способов нанесения покрытий из сплошных, порошковых и комбинированных присадочных материалов. Их приварка на поверхности деталей без расплавления основного и присадочного материалов позволяет получать слои с заданными физико-механическими свойствами, обеспечить повышение износостойкости и высокие технико-экономические показатели. Технологические процессы ЭКП не требуют дефицитных и дорогих материалов, легко поддаются комплексной механизации и автоматизации при восстановлении и упрочнении самых различных деталей.

Особенно эффективна ЭКП композиционных материалов (КМ) на основе металлических порошков с различными наполнителями. В этом случае возможно частично или полностью сохранять свойства материалов и получать покрытия, как с равновесной, так и неравновесной структурой. Последние, как известно, обладают высокой износостойкостью в условиях абразивного и других видов изнашивания.

Существующие способы ЭКП металлических порошков в виде спеченных или порошково-полимерных лент, с использованием клеящих компонентов усложняют и удорожают технологический процесс восстановления. Способы, основанные на гравитации, являются наиболее простыми и не требующими сложных дополнительных устройств и приспособлений. Основными недостатками, препятствующими распространению вышеназванных способов, являются отсутствие возможности регулирования толщины получаемого покрытия и повышенный расход металлических порошков. В этой связи весьма актуальной представляется разработка технологии ЭКП композиционных материалов на основе металлических порошков, позволяющей расширить технологические возможности способа и повысить эксплуатационные свойства восстановленных деталей.

Решение этих задач позволит повысить эффективность технологии путем снижения трудоемкости и затрат на механическую обработку восстановленных деталей и экономии присадочных материалов.

Целью работы является повышение эффективности технологического процесса восстановления изношенных поверхностей автотракторных деталей ЭКП композиционных материалов на основе металлических порошка и сетки.

Объектом исследования является технологический процесс восстановления изношенных поверхностей деталей ЭКП композиционных материалов на основе металлических порошка и сетки.

Предметом исследования являются закономерности формирования металлопокрытия электроконтактной приваркой композиционных материалов.

Научная новизна:

- предложен новый технологический процесс нанесения композиционного покрытия на основе металлических порошка и сетки электроконтактным способом на наружные поверхности цилиндрических деталей;

- обоснованы режимы подачи порошка в зону приварки с возможностью регулирования толщины металлопокрытия;

- разработана и экспериментально подтверждена модель уплотнения порошкового материала в ячейках сетки при их совместной приварке;

- на основе исследования качественных показателей приваренных покрытий (структуры, плотности, прочности сцепления, твердости, износостойкости) выявлены оптимальные параметры технологического процесса.

На защиту выносятся:

- способ ЭКП композиционного покрытия на наружные цилиндрические поверхности восстанавливаемых деталей;

- результаты теоретических исследований по обоснованию режимов технологического процесса;

- результаты экспериментальных исследований качественных показателей приваренных покрытий; технологический процесс восстановления опорных шеек распределительных валов двигателей внутреннего сгорания.

Практическая значимость. Разработанный технологический процесс восстановления наружных цилиндрических поверхностей автотракторных деталей электроконтактной приваркой композиционных материалов на основе металлических порошков и сетки может эффективно применяться для восстановления изношенных поверхностей деталей на ремонтно-технических предприятиях АПК.

Реализация результатов работы. Разработанная технология ЭКП композиционных материалов внедрена в Илишевском ремонтно-техническом предприятий Республики Башкортостан и на научно-производственном участке кафедры «Технология металлов и ремонт машин» Башгосагроуниверситета. Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре «Технология металлов и ремонт машин» Башгосагроуниверситета.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, молодых ученых и специалистов Башкирского государственного аграрного университета (2002-2006 г.г.), Уфимского

I» государственного авиационного технического университета (2004 г.); на Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса регионов России» (Уфа, 2002 г.); на научно-практической конференции «Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции» (Пенза, V 2002 г.); на XLII научно-технической конференции Челябинского государственного агроинженерного университета (Челябинск, 2003); на Международной научно-практической конференции в рамках XIII Международной специализированной выставки «АГРО-2003» (Уфа, 2003 г.); на семинарах инженеров аграрного производства, проведенных Башкирским I* институтом переподготовки и повышения квалификации кадров АПК в 2005 и 2006 г.г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 120 наименований и приложений. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц, 52 рисунка и приложений на 15 страницах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан технологический процесс восстановления изношенных поверхностей деталей электроконтактной приваркой композиционного покрытия на основе металлического порошка марки ПР-Х11Г4СР и сетки из низкоуглеродистой стали. Установлено, что металлическая сетка повышает технологичность процесса ЭКП металлических порошков путем удерживания порошка в зоне приварки и позволяет уменьшить потери присадочного материала от осыпания до 30% по сравнению с методом свободной засыпки порошка.

2. Изменением угла подачи порошка и выбором диаметра проволоки сетки обеспечивается регулирование толщины покрытия от 0,3 до 1,5 мм. Для практического применения результатов теоретических исследований разработана номограмма для выбора необходимых параметров процесса. Теоретически обоснованные режимы процесса подтверждены экспериментальными данными.

3. Порошок, находящийся в ячейках сетки, при электроконтактной приварке испытывает трехосное сжатие, обусловленное давлением роликов-электродов и деформацией проволоки сетки, что способствует дополнительному уплотнению порошка. Пористость порошкового слоя приваренного на оптимальных режимах составляет 2.6 %. Изучение открытой пористости спеченного в ячейках сетки порошка подтверждает теоретические выводы о характере распределения плотности по толщине покрытия.

4. Металлографическими исследованиями выявлена зависимость качества привариваемых покрытий от технологических свойств металлических порошков, геометрических параметров сетки и режимов процесса ЭКП. Прочность сцепления покрытий, приваренных на оптимальных режимах, для стальных деталей составляет не менее 155 МПа, а для чугунных не менее 120

МПа. Несомненным преимуществом предложенной технологии является возможность формирования регулируемой гетерогенной структуры покрытия. Вследствие различной интенсивности изнашивания материала порошка и сетки покрытие приобретает регулярный рельеф, что способствует удержанию смазочного материала и повышает надежность узлов трения при граничной смазке. Лабораторными и эксплуатационными испытаниями установлено, что получаемые композиционные покрытия обладают высокими износостойкими свойствами, превышающими износостойкость стали 45 в 2,5 раза, а чугуна в 1,9 раза.

5. Разработанная технология апробирована при восстановлении шеек коленчатых валов компрессоров, опорных шеек распределительных валов, разжимных кулаков тормозного механизма грузовых автомобилей и других цилиндрических деталей. На примере восстановления опорных шеек распределительного вала двигателя ЗМЗ-402 проведен расчет экономической эффективности внедрения технологий по сравнению со способом электроконтактной приварки стальной ленты. В результате применения разработанной технологии достигается экономия в размере 100 рублей на одну деталь, стоимость восстановления составляет 27 % от стоимости нового вала. Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологического процесса в условиях Илишевского РТП составляет около 50 тыс. рублей.

1. Агафонов А.Ю. Восстановление и упрочнение деталей сельскохозяйственной техники электроконтактной приваркой твердосплавных покрытий. Дисс. . канд. техн. наук. Балашиха, 1990.

2. Амелин Д.В. Исследование и разработка способа восстановления отверстий базисных чугунных деталей сельскохозяйственных машин контактной приваркой металлических порошков. Дисс. . канд. техн. наук — М.: ГОСНИТИ. 1980.

3. Амелин Д.В., Рыморов Е.В. Новые способы восстановления и упрочнения деталей машин электроконтактной наваркой. М.: Агропромиздат, 1987. -151 с.

4. Андриевский P.A. Порошковое материаловедение. М.: Металлургия, 1991.-205 с.

5. Арефьев Б.А. Физико-химические основы компактирования волокнистых композиционных материалов. М.: Металлургия, 1988.-192 с.

6. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей электромеханической обработкой. — Л.: Машиностроение, 1968.

7. Бабаев И. А. Исследование и разработка технологии восстановления деталей порошковыми композиционными покрытиями (на примере шестерен НШ). Дисс. . канд. техн. наук. -М., 1982. 215 с.

8. Баранов Н.Г. Ленточные порошковые антифрикционные материалы // Трение и износ. 1994. - №3.-С.22-27.

9. Бахмудкадиев Н. Д. Технология и упрочнение дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин электроконтактной приваркой. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. -М.: ВНИИТУВИД «Ремдеталь», 1998.

10. Бевз И.И. Разработка технологии электроконтактной обработки наплавленных деталей сельскохозяйственной техники Автореф. дисс. . канд. техн. наук. — Челябинск. «Госкомсельхозтехника», 1984.

11. Белоусов В.Я. Долговечность деталей машин с композиционными материалами.- Львов: Выща школа, 1984. 180 с.

12. Белый A.B., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. -М.: Машиностроение, 1991.- 208 с.

13. Белый В. А. Проблема создания композиционных материалов и управления их функциональными свойствами // Трение и износ.- 1982. -№3. С.18-19.

14. Бирюков В. В. Восстановление бронзовых деталей машин порошками из цветных сплавов электроконтактным напеканием. Дисс. . канд. техн. наук. — М., 2005.- 144 с.

15. Богомолова H.A. Практическая металлография. М.: Высшая школа, 1978.- 272 с.

16. Борисов М.В., Павлов И.А., Постников В.И. Ускоренные испытания машин на износостойкость как основа повышения их качества- М.: Издательство стандартов, 1976.- 352 с.

17. Браун Э.Д. Моделирование трения и изнашивания в машинах— М.: Машиностроение, 1982

18. Брогинский Л.Б., Вялков В.Г. и др. Восстановление электроконтактной наваркой поверхностей тел вращения с большим износом // Ремонт восстановление, модернизация. 2003. - №10. - С.20-21.

19. Бураев М.К. Резервы ресурсосбережения при ремонте машин // Ремонт, восстановление, модернизация. 2005. - №6 - 24 с.

20. Бурак П.И. Восстановление деталей машин электроконтактной приваркой металлической ленты через промежуточный слой. Автореф. дисс. . канд. техн. наук.- М., 2004.

21. Васильев В.В., Протасов В.Д. и др. Композиционные материалы: Справочник.- М.: Машиностроение, 1990.- 512 с.

22. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей.

23. М.: Машиностроение, 1987. -304 с.

24. Восстановление деталей сельскохозяйственной техники механизированной наплавкой с применением упрочняющей технологии // Под. ред. В.М. Кряжкова. М.: ГОСНИТИ, 1972.

25. И 26. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1989. -328 с.

26. Гатауллин P.M. Кравченко И.Н. Основы системного подхода к оптимизации способов восстановления деталей машин // Ремонт, восстановление, модернизация. 2005. - №4.- 34 с.

27. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. М.: Машиностроение, 1984.-464 с.т

28. Гимельфарб Ф.А., Шварцман C.JI. Современные методы контроля композиционных материалов.- М.: Металлургия, 1979. 248 с.

29. Горбенко К.Г. Исследование возможности повышения износостойкости автотракторных деталей нанесением металлокерамических твердосплавных покрытий при ремонте. Автореф. дис. . канд. техн. наук. М.: 1973. - 23 с.

30. ГОСТ 23.224-86 Обеспечение износостойкости изделий. Методы оценки износостойкости восстановленных деталей.- М.: Издательство стандартов, 1986.32