Содержание к диссертации
Введение
1. Модификация свойств поверхностных слоев деталей с помощью наплавки 12
1.1. Методы восстановления свойств поверхностного слоя деталей 14
1.2. Структура и свойства наплавленных покрытий 22
1.3. Особенности лезвийной обработки наплавленных металлопокрытий
1.4. Изменение силы резания при обработке наплавленных покрытий . 26
1.5. Выбор материала, применяемого для режущей части лезвийного инструмента для обработки металлопокрытий 30
1.6. Цель и задачи исследования 35
2. Методика экспериментальных исследований получения и обработки наплавочных покрытий с интерметаллидами 36
2.1. Объект и условия проведения исследования 36
2.2. Феноменологическая модель позволяющая обеспечивать заданные физико-механические свойства наплавленного слоя
2.3. Экспериментальная установка нанесения наплавочных покрытий из интерметаллидов 45
2.4. Методика нанесения наплавочных покрытий с интерметаллидами .
2.5. Экспериментальная установка для обработки металлопокрытий с интерметаллидами. Измерительные приборы и оборудование 53
2.6. Методика проведения многофакторного эксперимента 56
3. Результаты экспериментальных исследований нанесения и обработки интерметаллидных покрытий 64
3.1 Результаты экспериментальных исследований нанесения интерметаллидных покрытий методом наплавки под слоем флюса с
дополнительной заземленной присадочной проволокой 64
3.1.1. Сравнение исследования наплавленных образцов 67
3.2. Результаты экспериментальных исследований интерметаллидных покрытий
3.3. Экспериментальные модели исследований качества поверхности интерметаллидных покрытий при обработке резанием
4. Математические модели формирования геометрических параметров поверхностей с интерметаллидными покрытиями .
4.1. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя металлопокрытий деталей при лезвийной обработке 82
4.2. Расчет шероховатости в зависимости от условий лезвийной обработки 84
4.3. Расчет волнистости в зависимости от условий лезвийной обработки 93
4.4. Расчет отклонения от круглости в зависимости от условий лезвийной обработки 95
5. Практические рекомендации и технико экономическая эффективность
5.1. Конструкция наплавочной головки для получения интерметаллидных металлопокрытий 100
5.2 Выбор оптимальных технологических режимов финишной обработки интерметаллидных металлопокрытий 103
5.3 Технико-экономическая оценка эффективности практического использования результатов исследований 107
Основные выводы
Литература
- Изменение силы резания при обработке наплавленных покрытий
- Феноменологическая модель позволяющая обеспечивать заданные физико-механические свойства наплавленного слоя
- Результаты экспериментальных исследований интерметаллидных покрытий
- Расчет волнистости в зависимости от условий лезвийной обработки
Изменение силы резания при обработке наплавленных покрытий
В условиях уменьшения сырьевых ресурсов, особую значимость приобретают ресурсосберегающие технологии, которые чаще всего сопровождаются разработкой новых способов нанесения модифицированных покрытий на рабочие поверхности деталей. Поэтому одним из перспективных процессов нанесения покрытий становится метод наплавки. Данный метод часто применяют для изготовления и восстановления наиболее дорогостоящих деталей машин транспортной техники и машиностроения, которые в процессе эксплуатации подвержены наибольшему износу [41].
Наплавка – это процесс нанесения слоя металла или сплава на поверхность детали посредством сварки плавлением [54,55,87]. При восстановлении изношенных деталей наплавку осуществляют практически таким же материалом, из которого изготовлено изделие. В некоторых случаях при изготовлении новых деталей (а так же и при ремонте) [65] рациональнее на изношенную поверхность нанести металл, который будет отличаться составом и свойствами от исходного материала детали. В большинстве случаев условия эксплуатации поверхностного слоя рабочих поверхностей значительно отличаются от условий эксплуатации других поверхностей деталей. Применение материала детали, определяющего общую прочность, зависит от силовых нагрузок и условий сопряжения, а рабочие поверхностные слои, работающие в условиях изнашивания, должны иметь более высокие физико-механические характеристики, получаемые за счет применения дополнительных видов обработки (ХТО, закалка и др.). Специфика работы механизмов может усложняться повышенной температурой, эрозионно-коррозионным воздействием окружающей среды (попаданием воды, различных реагентов в химических производствах и др.). В качестве примера можно указать такие поверхности деталей как, бурты и стержни клапанов двигателей, уплотнительные поверхности задвижек, поверхности валков горячей прокатки. В редких случаях такие детали и изделия полностью изготовляют из материала, который обеспечивает требования к эксплуатационной надежности работы его поверхностных слоев. Такое решение приводит к дополнительным экономическим затратам. Поэтому целесообразно изготавливать изделия из более дешевого, но достаточно работоспособного металла для конкретных условий эксплуатации, и только на рабочих поверхностях, работающих в особых условиях, иметь необходимый по толщине слой отличающейся от исходного материала. Иногда это достигается применением биметаллов (низкоуглеродистая сталь + коррозионно-стойкая сталь; сталь + титан и др.), а также поверхностным упрочнением (поверхностной закалкой, электроискровой обработкой и др.), нанесением тонких поверхностных слоев (металлизацией, напылением и пр.) или наплавкой слоев значительной толщины на поверхность [31].
Появление технологии наплавки относят к 1896 г., когда Спенсер получил патент на изобретение [27]. Однако промышленное применение началось несколько позже. В частности, в 1922 г. братья Студи впервые осуществили в США наплавку коронок нефтяного бура способом газовой сварки с использованием присадочного материала в виде стальной трубки, заполненной хромовым сплавом. Примерно в это же время была осуществлена наплавка клапанов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с помощью изобретенного Хейнзом сплава – стеллита (кобальтохромовольфрамового сплава) [54]. В первое время для наплавки использовали газовую сварку, но впоследствии по мере развития технологии сварки стали использовать и другие способы. Начало автоматической наплавки относится к 1939 г., когда советские специалисты Михайлов и Ларионов осуществили наплавку с помощью покрытых электродов прямоугольного сечения [86]. Наплавка оказала большую роль в увеличении производительности труда и повышения качества продукции [24]. А так же это повлекло за собой экономию сырья при производстве промышленного оборудования, его эксплуатации и ремонте.
Дальнейшее совершенствование технологии наплавки в первую очередь необходимо для ремонта множества деталей машин и механизмов, подвер 14 гающихся абразивному износу. Необходимо расширять применение наплавки в производстве для модификации поверхностного слоя рабочих поверхностей деталей. Наплавка позволяет многократно увеличивать срок службы деталей работающих в условиях абразивного изнашивания и тяжело нагруженных деталей, избавляет промышленность от производства большого количества запасных частей, повышает надежность и работоспособность деталей транспортной техники и технологического оборудования [43, 52, 74].
При длительной эксплуатации машин изнашивание деталей сопровождается снижением эксплуатационных показателей, что в частности вызывает ухудшение качества поверхности изделий. До 70% затрат на ремонт приходится на приобретение новых запасных частей взамен предельно изношенных. Предельные износы 85% деталей не превышают 0,3 мм, причем многие из них имеют остаточные ресурсы 60% и более и только 20% деталей, поступающих в ремонт, подлежат окончательной выбраковке. Остальные можно восстановить различными способами наплавки, причем себестоимость восстановления составит не более 15...70% себестоимости изготовления новых деталей.
Дуговая наплавка под флюсом. Идея данного метода восстановления состоит в том что, процесс наплавки происходит при горении дуги между электродом и деталью под слоем сыпучего флюса, покрывающего ванну расплавленного металла, благодаря чему доступ воздуха к расплавленному металлу ограничивается.
В процессе наплавки дуга частично расплавляет флюс и горит внутри полости с эластичной шлаковой оболочкой из расплавленного шлака, которая способствует замедлению охлаждения наплавленного металла, что улучшает условия его дегазации. После затвердевания металла образуется наплавленный валик, покрытый шлаковой коркой и не расплавившимся флюсом; затвердевшая шлаковая корка с поверхности валика удаляется [53].
На рис. 1 представлена схема процесса наплавки под флюсом. Электродная проволока 2 из кассеты роликами подающего механизма через направляющий мундштук 3 подается в зону горения дуги 1. Флюс на поверхность детали поступает из бункера через флюсовый мундштук 4.В процессе наплавки относительное перемещение детали и электрода осуществляется при помощи механизмов наплавочной установки, которая, как правило, устанавливается на переоборудованном токарном станке.
Феноменологическая модель позволяющая обеспечивать заданные физико-механические свойства наплавленного слоя
Наплавку применяют для восстановления изношенных деталей, а также при изготовлении новых деталей с целью получения поверхностных слоев, обладающих повышенными твердостью, износостойкостью, жаропрочностью, кислотостойкостью или другими свойствами. Она позволяет значительно увеличить срок службы деталей и намного сократить расход, дефицитных материалов при их изготовлении. Авторы работ [12,15] утверждают, что существенными преимуществами обладают способы наплавки с использованием легирования наплавленного слоя, которые приводят к увеличению эксплуатационных характеристик деталей работающих в условиях больших знакопеременных нагрузок, высоких температур и давлений, в абразивных и агрессивных средах, а также в целях замены дефицитных и дорогостоящих металлов.
Наиболее распространены методы легирования при наплавке под флюсом путем использования дополнительной проволоки, вводимой в дугу и подключенной в сварочную цепь параллельно основному металлу, в результате чего на поверхности детали образуется новая рабочая поверхность в виде сплава.
Сплавы являются одними из основных конструкционных материалов [14]. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и других компонентов, так как они достаточно распространены и дешевы. Химические соединения двух или нескольких металлов между собой способны образовывать интерметаллиды [74], которые образуются в результате взаимодействия компонентов при сплавлении, конденсации из пара и др. Интерме-таллиды алюминия находят все большее применение в промышленности. Среди перспективных интерметаллидных конструкционных материалов, обладающих уникальным комплексом физико-механических и служебных свойств, получивших распространение в последние годы [26], особое место занимают материалы на основе алюминида железа Fe3Al. Также интерметал-лиды применяются в качестве износостойких покрытий, работающих в условиях абразивного изнашивания. При их изготовлении для обеспечения заданного уровня служебных свойств в условиях высоких температур не требуется большого количества дефицитных легирующих элементов. Однако, как конструкционные материалы алюминиды железа Fe3Al все еще широко не востребованы промышленностью, из-за отсутствия относительно простой и недорогой технологии их производства, хотя имеется много публикаций об их эффективности. Интерметаллиды отличаются высокой твердостью. Микротвердость наиболее богатых алюминием интерметаллидов переходных металлов находится в пределах 3800 – 11500 МПа [75], что позволяет сделать вывод о высокой износостойкости данных соединений.
Алюминий с железом способен давать твердые растворы, интерметал-лидные соединения (Fe2Al7 – 62,93 % Al; Fe2Al5 – 54,71 % Al; FeAl2 – 49,13% Al; FeAl – 32,57 % Al и др.). Для условий сварки характерно появление FeAl3и Fe2Al5. Твердость Fe2Al5, FeAl3 и FeAl2 лежит в диапазоне 9600— 11500 МПа. С увеличением содержания железа и с повышением температуры твердость снижается. Для Fe3Al микротвердость составляет 2700 МПа, а для фазы FeAl микротвердость достигает 6600 МПа. Разупрочнение FeAl3 и Fe2Al5 начинается при температуре 0,45 tпл[74].
Прочностные свойства данных фаз изменяются практически противоположно твердости. Наибольшей прочностью при растяжении обладают фазы Fe3Al, FeAl, а наименьшей – фазы FeAl3, FeAl2, Fe2Al7 и Fe2Al5. Высокая прочность при сжатии фазы Fe2Al7 объясняется наличием мягкой межзерен-ной прослойки алюминия. Исходя из этого, в качестве износостойких сплавов целесообразно использовать сплавы, содержащие фазы Fe3Al, FeAl и Fe2Al7. Наиболее оптимальны сплавы, содержащие фазу FeAl, так как эти сплавы должны обладать высокой твердостью и прочностью. Сплавы с ин-терметаллидной фазой Fe3Al имеют высокую прочность и особенно прочность при сжатии. Однако эта фаза имеет самую низкую твердость из всех интерметаллидных фаз системы железо – алюминий. Сплавы, содержащие фазы FeAl3, FeAl2, Fe2Al5, хотя и имеют высокую твердость из-за низкой прочности, вероятно, будут склонны к образованию трещин в процессе охлаждения наплавленных слоев.
Применение дополнительного легирующего элемента на основе алюминия дает наибольший эффект по твердости покрытия и было принято решение провести аналитическое исследование данного процесса увеличения твердости.
Из литературы [12] известно, что в равновесных условиях алюминий с железом образуют твердые растворы, интерметаллические соединения и эвтектику.
Алюминий при содержании до 7%, растворяясь в феррите, изменяет параметры его решетки. При этом искажения решетки более значительны, чем при легировании хромом, никелем, марганцем. Таким образом, алюминий относится к металлам, сильно изменяющим размеры кристаллической решетки феррита, что приводит к значительным изменениям его свойств. До определенного значения повышается прочность, твердость феррита и снижаются пластические свойства, особенно ударная вязкость. Кроме того, алюминий значительно повышает размеры зерна и увеличивает растворимость углерода в феррите, что снижает и прочность, и пластичность металла шва [77,83].
Анализируя фазовый состав и свойства рассмотренных сплавов и металл шва при сварке и наплавке сталью, легированной алюминием, необходимо отметить, что алюминий снижает механические и технологические свойства сварных соединений. Однако образование интерметаллидных фаз при содержании алюминия более 7% придает металлу шва ряд уникальных эксплуатационных характеристик: высокую износостойкость, жаростойкость и коррозионную стойкость в ряде агрессивных сред. Следовательно, в малых количествах алюминий является вредной технологической примесью при сварке стали и алюминия, но при содержании алюминия выше предела растворимости (критического значения) алюминий может выполнять функцию легирующего компонента и при необходимости обеспечивать формирование специальных эксплуатационных свойств металла шва.
Результаты экспериментальных исследований интерметаллидных покрытий
При нанесении металлопокрытий качество поверхностного слоя зависит, прежде всего, от применяемого метода нанесения покрытия. Достоинством наплавки является возможность изменения толщины покрытий в широких пределах, что позволяет применить различные методы их обработки с целью получения заданных параметров качества и точности поверхностного слоя. При этом имеет место неравномерное распределение микротвердости по глубине резания, что делает необходимым уточнение теоретических моделей на основе экспериментальных данных.
Обработка наплавочных покрытий с требуемой твердостью предполагает применение специальных материалов для режущей части инструментов. Геометрические параметры наплавленных поверхностных слоев можно отнести к необработанной поверхности, что предполагает использование для черновой обработки различных твердых сплавов или композитных металлоке-рамических резцовых вставок и вставок из ПСТМ.
В данной главе на основе анализа предварительных данных, полученных при исследовании влияния различных факторов, рассматриваются процессы формирования параметров качества поверхностного слоя при механической обработке наплавленных деталей твердосплавным и композитным инструментом. Разрабатывается общая аналитическая модель формирования геометрических параметров качества наплавленного поверхностного слоя деталей в зависимости от режимов лезвийной обработки. Приводятся формулы, которые необходимы для вывода основной формулы, характеризующей влияния качества металлопокрытий от режимов лезвийной обработки и геометрии режущего инструмента. Строятся поверхности отклика геометриче 81 ских параметров (шероховатости, волнистости и отклонения от круглости) при варьировании режимов обработки. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя металлопокрытий деталей при лезвийной обработке
После восстановления рабочих поверхностей деталей большинство из них подвергается механической обработке для получения требуемой точности размеров, а так же необходимыми геометрическими параметра-ми(шероховатость, волнистость и отклонения от круглости). Для обработки восстановленных поверхностей, как правило, применяется лезвийная обработка: точение, растачивание, фрезерование.
В результате обработки резанием не может быть получена идеально ровная поверхность, так как на ней всегда остаются следы воздействия режущих лезвий инструмента, представляющие собой неровности, в виде впадин и выступов гребешков различной формы и имеют, для каждого вида обработки, инструмента и режима резания определенный средний размер.
Механическая обработка покрытий, по данным С.А. Клименко, значительно отличается от обработки заготовок, имеющих аналогичный химический состав. Это объясняется наличием пористости, прежде всего на границах покрытия, различной прочностью сцепления и другими факторами.
При точении труднообрабатываемых материалов, особенности химического состава, физико-механического состояния заготовки и свойства обрабатывающего инструмента позволяют не учитывать наличия сколов и выры-вов [3, 14, 17].
К геометрическим параметрам качества поверхности, наряду с шероховатостью, относятся и другие неровности с большим шагом, трактуемые как волнистость, бочкообразность, конусообразность и др., а так же отклонения геометрической формы. Было установлено, что образование этих неровностей обусловлено не только жесткостью технологической системы и ее вибрациям, но и режимами токарной обработки и материалом режущего инструмента.
Основоположником науки о качестве поверхности является русский инженер, профессор Чебышев В.Л. [19], который и предложил первую в мире формулу для вычисления высоты микронеровностей. Он считал, что режущий инструмент серьезно влияет на чистоту обрабатываемых поверхностей, так как всякая обработанная режущим инструментом поверхность может рассматриваться как след рабочего движения режущей кромки. При таком представлении микрогеометрия поверхности будет определяться в поперечном профиле чисто геометрическими факторами, а именно: формой режущей кромки инструмента (радиусом закругления при вершине) и величиной подачи (рис. 41).
В этом случае расчетная высота гребешков поперечного профиля Нр при чистовом точении (если бы профиль получался только в результате копирования режущей кромки резца) может быть получена следующим образом:
Расчет волнистости в зависимости от условий лезвийной обработки
Произведен расчет себестоимости технологического способа восстановления первичного вала коробки скоростей горизонтально-расточного станка Tos Varnsdorf WH 10 CNC, а также проведены исследования существующих способов восстановления. В настоящее время данную деталь можно восстанавливать наплавкой (с использованием одной проволоки) с последующим упрочнением рабочей поверхности либо закалкой ТВЧ, либо гальваническим хромированием. Стоимость наплавки составляет не более 25% от стоимости новой детали, однако на упрочнение рабочей поверхности закалкой ТВЧ необходимо затратить еще 60% от стоимости новой детали. Следует учесть, что закалка ТВЧ представляет собой трудоемкий и длительный процесс и выгодна лишь в крупносерийном производстве. В результате чего на восстановление одной детали необходимо затратить около 85% от стоимости новой делали. Однако в качестве поверхностного упрочнения можно так же применить гальваническое хромирование, которое составит 45% от стоимости новой детали. Так же к существенным недостаткам данного технологического способа следует отнести длительность процесса.
Экономическаяэффективностьвосстановления,руб. 247390 247210 278250 После сравнения стоимости существующих технологических процессов восстановления выбранной детали и стоимости предложенного технологического процесса восстановления выявлено, что предложенный технологический процесс экономически выгоднее способа с применением закалки ТВЧ более чем в 1,3 раза табл. 13. При отказе замены на новую деталь данный способ экономически выгоднее более чем в 3 раза.
Исследования долговечности разжимного кулака тормозной системы автомобилей семейства КАМАЗ показали, что их ресурс при эксплуатации в условиях промышленного комплекса составляет 86-98 тыс. км. пробега. Одной из главных причин низкой долговечности является абразивный износ головки разжимного кулака вследствие истирания выпуклой части ее поверхности, а так же износ упорных поверхностей вращающихся во втулках. В результате чего все это приводит к ухудшению тормозных характеристик автомобиля, влияющих на безопасность движения в целом.
Стоимость нового разжимного кулака тормозных колодок (рис. 51) (отечественного производства) автомобиля КАМАЗ-5320 составляет 1200 руб. Так же автомобиль КАМАЗ-6520 комплектуется ведущими мостами фирмы MADARA (произв. Болгария), стоимость разжимных кулаков тормозных колодок, которых составляет 3000 руб. С учетом технологических возможностей оборудования, максимальное количество восстанавливаемых кулаков в год, составляет 5000 шт. в год.
С учетом затрат на материалы для восстановления данных деталей, а так же электроэнергии и заработной платы рабочим, минимальная цена восстановления составит не более 360 рублей за одну единицу.
Как правило, восстановленный кулак должен иметь ресурс не менее 70% от ресурса новой детали. Очевидна целесообразность восстановления разжимного кулака. В результате чего возникает необходимость получения качественного наплавленного покрытия. После наплавки с использование проволоки 30ХГСА твердость наплавленного слоя не превышает 30 HRC, это достаточно низкий показатель твердости для рабочей поверхности разжимного кулака, так как норма твердости для нового кулака порядка 55HRC. В связи с этим рассмотрим возможные способы поверхностного упрочнения. Для деталей отечественного производства применяют закалку ТВЧ, а для деталей фирмы MADARA применяют хромирование.
Закалка ТВЧ обеспечивает нагрев детали до более высокой темпера туры, чем при обычной объемной закалке. Благодаря более высокой темпера туре нагрева и более интенсивному охлаждению твердость после закалки ТВЧ получается намного выше. Данный вид упрочнения обеспечивает высо кое качество изделий и дает наиболее стабильные результаты по сравнению с другими методами поверхностного упрочнения (большое сопротивление из нашиванию и усталостному разрушению, малые деформации, почти полное отсутствие окисления). Благодаря нагреву только поверхностных слоев уменьшаются затраты энергии на нагрев [86]. Для упрочнения рабочих по верхностей разжимного кулака был проведен мониторинг предприятий имеющих возможность производить упрочнение методом ТВЧ. По данным предприятий города Саратова стоимость закаливания ТВЧ разжимного кула ка с учетом особенностей данной детали составляет 360 руб. за штуку.
Хромирование – диффузионное насыщение поверхности стальных изделий хромом, либо процесс осаждения на поверхность детали слоя хрома из электролита под действием электрического тока. Электролитическое хро мирование применяют для повышения износостойкости и восстановления деталей машин. Хром отличается высокой твердостью, значительной проч ностью сцепления со сталью и химической стойкостью. Свойства его в зна чительной степени зависят от режима осаждения на поверхность. Изменяя только плотность тока и температуру раствора электролита, можно изменять твердость покрытия в широких пределах. При этом износостойкость покры тия может изменяться почти в 10 раз. По данным предприятий города стои мость электролитического хромирования составляет 500 руб. за 1 дм2. По этому для разжимного кулака с учетом рабочей поверхности стоимость дан ного вида упрочнения составляет 540 руб. за штуку.
