Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
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, технический университет имени Гагарина Ю.А., заведующий кафедрой |
Данилов Юрий Степанович кандидат технических наук, профессор, кафедра технологии машиностроения | |
Ведущая организация Ц | ФГБОУ ВПО Камская государственная |
Защита состоится л31 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
_____ апреля 2012 г.
Автореферат разослан л апреля 2012 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета 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 HRCэ до 55-60 HRCэ. 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 Rа = 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 Ц 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:
- Разработать технологию нанесения и тангенциального точения наплавочных покрытий рабочих поверхностей деталей способом наплавки, позволяющим варьировать твердостью наплавочного покрытия в пределах 52-65 HRCэ с последующей финишной обработкой методом тангенциального точения и получением шероховатости Ra = 0,63-1,25 мкм.
- 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.
- 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.
- 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: 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.
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:
- Технология нанесения и тангенциального точения наплавочных покрытий рабочих поверхностей деталей способом наплавки, позволяющим варьировать твердостью наплавочного покрытия в пределах 52-65 HRCэ, и последующая финишная обработка методом тангенциального точения с получением шероховатости Ra = 0,63-1,25 мкм.
- Модель и закономерности процесса изменения микротвердости наплавленного слоя в зависимости от концентрации присадочного материала.
- Способ наплавки с подачей дополнительной изолированной присадочной проволокой, позволяющий варьировать свойствами наплавленного слоя.
- 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 хозяйство 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 №а2403138.
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, Н.Н. Дорожкина, И.И. Фрумина, Н.И. Доценко, Ю.А. Юзвенко; американского изобретателя Уильяма Р.аГлизона, 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 HRCэ), 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 шейки коленчатого вала | |
основные операции существующего технологического процесса | основные операции предложенного технологического процесса |
Наплавочная | Наплавочная с подачей изолированной |
Термическая (нормализация) | - |
Токарно-винторезная | Финишная на основе тангенциального |
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 HRCэ, а применение последующей обработки методом тангенциального точения, позволяет получить шероховатость поверхности сравнимую с шероховатостью после шлифования порядка Ra = 0,65-1,25 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 изображена схема подачи проволок при наплавке тремя проволоками, основной и двумя присадочными (вид сбоку). 1 - основная проволока; 2 - присадочная проволока; 3 - деталь; 4 - флюс; Vосн - скорость подачи основной проволоки;
Vпр - скорость подачи присадочной проволоки; Vдет - скорость вращения детали; - угол между основной проволокой и передней присадочной; - угол между основной проволокой и задней присадочной; y - расстояние между основной проволокой и передней присадочной; x - расстояние между основной проволокой и задней присадочной.
Данный способ позволяет получить наплавленный слой с заданными физико-механическими свойствами.
Рис. 1. Схема подачи проволок |
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 H, твердость по Роквеллу (HRCэ), шероховатость Ra, волнистость W, некруглость . 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 Vп м/мин, расстояние между электродами L мм, угол наклона присадочной проволоки относительно основной проволоки (ОП) , 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 30ХГСА, присадка на основе алюминиевой проволоки AlMg5. Скорость 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 Н для подачи присадочной проволоки в ГЧВ и ХЧВ, выбираем:
- Расстояние между электродами L мм
- Угол наклона присадочной проволоки
- Скорость подачи присадочной проволоки V м/мин
При проектировании инструмента и технологического процесса тангенциального точения необходимо задавать такие углы заточки переднего угла и заднего угла (рис. 2), которые при трансформации в процессе резания не будут принимать отрицательные и нулевые значения. При этом передний угол необходимо принимать максимально возможной величины, исходя из условий прочности режущего инструмента, а задний угол не должен способствовать возникновению трения на задней поверхности режущей части инструмента от контакта с обрабатываемой поверхностью заготовки.
Рис. 2. Углы резания при обработке |
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
, (1)
где H - микротвердость наплавленного слоя, МПа;
а - безразмерный коэффициент;
С - концентрация присадочного материала, %.
Из литературных источников (В.Н. Волоченко, В.М. Ямпольский, В.А.аВинокуров и др.) известно, что количество легирующего элемента в жидкой фазе на границе сплавления определяется следующей зависимостью:
, (2)
где C0 - исходная средняя концентрация (до 1%);
k0 - коэффициент распределения (k0<1) для большинства сплавов;
x - расстояние от точки начала кристаллизации, см;
vкр - скорость кристаллизации, см/с;
Dж - 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:
, (3)
где v - скорость наплавки;
OM и ON - длина полуосей наплавочной ванны;
, (4)
где ky - коэффициент полуоси ON.
Наглядно это можно представить на схеме (рис. 3).
Рис. 3 Схема сварочной ванны |
В точке О подвод тепла, т.е. горит дуга, поверхность слева от оси y - хвостовая часть наплавочной ванны, справа от оси y - головная часть. При введении экзотермической присадки на расстоянии l отбор теплоты будет способствовать уменьшению полуоси OM и полуоси ON, это приведет к росту скорости кристаллизации. Также на этом примере можно объяснить следующее: при уменьшении расстояния l скорость кристаллизации не будет резко увеличиваться, так как при подаче присадки в хвостовую часть полуось OM уменьшается гораздо больше, чем полуось ON, длина которой в формуле стоит в знаменателе. В то же время с уменьшением расстояния l 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
2. Для подачи присадочной проволоки в хвостовую часть наплавочной ванны
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 пр , которая выражается формулой
, (7)
где rпр - радиус сечения присадочной проволоки, м;
Vпр - скорость подачи присадочной проволоки, м/мин;
rосн - радиус сечения основной проволоки, м;
Vосн - скорость подачи присадочной проволоки, м/мин;
После подстановки численных данных в формулу (7) можно определить, что C0 пр 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:
Микротвердость шва при подаче присадочной проволоки в хвостовую часть наплавочной ванны:
По указанным формулам построены поверхности отклика с использованием программы MathCAD Professional.
а | б |
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. 2б 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 l - расстояние между присадочной и основной проволоками, скоростью подачи присадочной проволоки и как следствие C0 - 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/cos, 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
(10)
Для подачи в головную часть наплавочной ванны
(11)
По результатам исследований и для дальнейшего анализа построены поверхности функций отклика для микротвердости шва Нш. 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 | б |
Рис. 5. Поверхности отклика при подаче присадочной проволоки в хвостовую часть
а - при фиксированном минимальном значении расстояния между проволоками
L = 0 мм; б - при максимальном L = 3 мм
Из графиков (рис. 5) следует, что как при минимальном, так и при максимальном значении Х1 (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 (Х3), 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 ла
при фиксированном минимальном значении 1 мм/cos угла наклона присадочной проволоки
1 мм/cos = 1 мм; б при максимальном 1 мм/cos = 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 L = 0 мм;
б - при максимальном L = 1,5 мм
Общая температура наплавочной ванны в головной части больше, чем в хвостовой, но площадь в разы меньше, из-за этого максимальное значение Х1 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/cos угла наклона присадочной проволоки
1 мм/cos = 1 мм; б - при максимальном 1 мм/cos = 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 ( ) Номер образца | Ориентация присадочной проволоки | Скорость подачи присадочной проволоки, м/мин | Расстояние между электродом и присадочной проволокой, мм | Процентное содержание присадочной проволоки, % | Угол наклона присадочной проволоки, град. | Твердость HRCэ | 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 | V = 1, 15 | 0 | 13,6 | 20 | 40 | 93,4 | 1,6 |
6 (9) | Сзади | V = 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.
| 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 HRCэ. 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 HRCэ), 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 HRCэ), применяют инструмент, режущая часть которого изготовлена из сверхтвердых материалов (СТМ). К этой группе относятся материалы на основе нитрида бора и алмазы.
Рис. 12 Тангенциальное |
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, другими словами, тангенциальных протяжек (рис. 12). Они позволяют снимать весь припуск за один проход, следовательно, повышается производительность, получать обработанную поверхность с шероховатостью Ra = 1,25-0,63 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, так как режимы резания, обеспечивающие наименьшее машинное время, являются наиболее экономичными.
В качестве оценочной функции принято уравнение машинного времени за единицу длины резания:
(12)
где С - постоянный коэффициент,
t - глубина резания, мм;
lрез - длина резания, мм;
n - 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
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 немногих способно произвести закалку ТВЧ. 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 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 HRCэ 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 n=776,5 мин-1, подача S=0,09 мм/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 1 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
- 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.а50-56.
- 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.
- Мешков В.В. Результаты исследования микротвердости образцов наплавленных с различными присадочными проволоками / А.Н. Виноградов, Д.В.аКузнецов // В мире научных открытий. 2010. №6. Ч. 3. С. 112-119.
- Мешков В.В. Моделирование процесса изменения микротвердости наплавленного слоя в зависимости от концентрации присадочного материала / В.В.аМешков // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 1 (62). С. 51-60.
Патент
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
Подписано в печать 19.04.12 Формат 60×84 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, е-mail: izdat@sstu.ru
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям