Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Обоснование необходимости повышения надежности и долговечности чугунных деталей тепловозов 10
1.2. Требования, предъявляемые к поверхностному слою чугунных деталей тепловозов 22
1.3. Сравнительный анализ существующих методов поверхностного упрочнения 25
1.4. Основные факторы, влияющие на характеристики поверхностного слоя после электроэрозионного термического упрочнения 33
2. Теоретическое исследование взаимосвязи режима электроэрозионного термического упрочнения с глубиной и структурой поверхностного слоя металла 46
2.1. Анализ тепловых процессов при электроэрозионном термическом упрочнении 46
2.1.1. Теоретические предпосылки к исследованию влияния развивающегося в поверхностном слое температурного поля на его структуру. 47
2.1.2. Уравнение температурного поля при нагреве металла 51
2.1.3. Уравнение температурного поля при охлаждении металла 55
2.2. Расчет на ЭВМ параметров температурного поля и обсуждение полученных результатов 59
2.3. Возможная структура поверхностного слоя и требуемые режимы упрочнения 68
2.4. Исследование износостойкости поверхностей чугунных деталей тепловозов после упрочнения 77
3. Экспериментальное исследование зависимости характеристик поверхностного слоя от параметров разрядных импульсов 83
3.1. Методика экспериментального исследования 83
3.2. Определение оптимальных режимов электроэрозионного термического упрочнения 92
3.3. Результаты анализа структуры поверхностного слоя после электроэрозионного термического упрочнения 107
3.4. Испытания упрочненных на основе определенных оптимальных режимов чугунных образцов на машинах трения и обсуждение полученных ре зультатов 110
4. Разработка технологических процессов изготовления чугунных деталей с использованием электроэрозионного термического упрочнения 129
4.1. Выбор оптимальной технологической схемы и конструкции электрода-инструмента 129
4.1.1. Способ упрочнения поверхности деталей при поступательном перемещении электрода-инструмента 133
4.1.2. Способ упрочнения при поступательном и вращательном движении электрода-инструмента 135
4.1.3. Способ упрочнения при осциллирующем и поступательном движении электрода-инструмента 136
4.2. Изготовление и упрочнение направляющей втулки выхлопного клапана транспортного дизеля 5Д49 137
4.3. Изготовление стакана боковой опоры тепловоза ТЭП-60 143
4.4. Расчет долговечности деталей тепловозов после электроэрозионного термического упрочнения 146
4.5. Расчет технико-экономического эффекта от внедрения исследуемого способа упрочнения 152
Заключение
- Требования, предъявляемые к поверхностному слою чугунных деталей тепловозов
- Расчет на ЭВМ параметров температурного поля и обсуждение полученных результатов
- Определение оптимальных режимов электроэрозионного термического упрочнения
- Изготовление и упрочнение направляющей втулки выхлопного клапана транспортного дизеля 5Д49
Введение к работе
В материалах ХХУІ съезда КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-85 годы и на период до 1990 года" особое внимание обращено на " повышение уровня использования и надежности работы технических средств транспорта". На съезде также упоминалась низкая надежность существующих тепловозов и, в частности, локомотивов 2ТЭ 116. Известно, что практически 100% тепловозов не вырабатывает свой срок службы из-за преждевременного выхода из строя основных деталей двигателя и экипажа. При этом значительное число деталей не вырабатывают свой срок службы вследствие пониженной износостойкости контактирующих пар, в которые входят эти детали. Некоторые из таких деталей упомянуты в перечне, приведенном на рис. I.I, где также даны в сопоставимых величинах их реальные и плановые сроки службы.
Наряду с повышением надежности транспортных средств в материалах ХХУІ съезда КПСС отмечается необходимость "использования высокоэффективных методов обработки металлов... с целью существенного улучшения их свойств" и "разработки и внедрения высокоэффективных методов повышения прочностных свойств...", к которым можно отнести и электроэрозионное термическое упрочнение (ЭЭТУ), в настоящее время ограниченно используемое для увеличения стойкости штампового и некоторых других видов инструмента.
Способ ЭЭТУ по своей сути является развитием известного метода электроэрозионной обработки (ЭЭО) и позволяет шире использовать упрочняющие свойства высокопроизводительных режимов ЭЭО. Способ назван так потому, что в его основе лежат термические про-цевсы, протекающие при инициировании разрядов в поверхностных
Требования, предъявляемые к поверхностному слою чугунных деталей тепловозов
Повышенный износ деталей тепловоза обусловлен, с одной стороны, неправильным подбором упрочняющей технологии вследствие сложности учета многообразных факторов, ЕЛИЯЮЩИХ на работоспособность конкретных пар трения, с другой - дороговизной эффективных методов упрочнения, и наконец вследствие плохой изученности влияния данного метода упрочнения на работоспособность конкретных деталей.
Как видно из приведенного в таблице I.I. перечня, большинство деталей конструктивно представляет собой правильный цилиндр. Поэтому в данном исследовании основное внимание уделялось деталям правильной цилиндрической формы, у которых обработке (упрочнению) подвергалась внутренняя или наружная поверхность цилиндра.
Исследуемые детали в основном изготавливаются из чугунов (табл. 1.3). Чугун БПЧ ( маркировка высокопрочного чугуна с шаровидным графитом на КТЗ), обладая хорошими механическими свойствами, имеет недостаточную сопротивляемость задирам и антифрикцион-ность. Поэтому улучшение этих качеств чугуна является важной народнохозяйственной задачей. Чугун марки ХНМ является одним из наиболее распространенных конструкционных материалов, который в настоящее время широко используется для изготовления деталей,работающих в условиях усиленного износа. Его свойства хорошо известны, и поэтому он был выбран в качестве эталона, по которому проверялась эффективность ЭЭТУ поверхностей трения избранных для исследования деталей.
С помощью литературных источников /104,113,114/ были сформули-лированы следующие требования, предъявляемые к чугунным деталям тепловозов, работающих в контактирующих парах в условиях усиленного истирания и бедной смазки: I. Величина зоны упрочнения поверхности трения должна быть не менее 0,3 мм. 2. В упрочненной зоне должны отсутствовать такие дефекты поверхностного слоя, как поры, микротрещины, значительные растягивающие напряжения, ведущие к последующему усталостному разрушению, неметаллические включения. 3. Необходима прочная адгезионная связь упрочняющего слоя с защищаемым материалом. 4. Слой должен быть равномерным по глубине на всей рабочей поверхности. 5. Важным фактором повышения износостойкости является благоприятный рельеф образовавшейся упрочненной поверхности. 6. Высокая твердость упрочненной поверхности. Соблюдение указанных требований гарантирует повышенную износостойкость чугунных деталей тепловозов и, как следствие, общее повышение работоспособности тепловозов Е целом. Помимо перечисленных Е табл. 1.3 представляется целесообразным упрочнять исследуемым способом те детали, которые экономически выгодно изготавливать с помощью ЭЭО и эксплуатируемые в условиях усиленного истирания, больших динамических и статических нагрузок и бедной смазки. Некоторые легированные стали изучались в процессе описываемых исследований с точки зрения вероятности образования в них зоны металла с упрочненной структурой достаточной с технологической точки зрения величины. Для сталей 20ХІЗЛ, 4-ОХНМА, из которых изготавливаются поршень и шатун, такая вероятность была доказана, хотя большую часть зоны упрочнения в этих условиях составлял так называемый "белый" слой. В современных машинах вообще и в тепловозах в частности де тали работают в тяжелых условиях: при интенсивном износе, знакопеременных нагрузках, различного рода напряжениях и деформациях. Для обеспечения антифрикционности деталей необходима высокая поверхностная твердость при вязкой, но достаточно прочной металлической основе. Обеспечение таких качеств в изделиях есть задача, поставленная перед поверхностно-упрочняющей технологией термообработки. Наиболее приемлемыми для этой цели оказались методы скоростной поверхностной термообработки, основными видами которой являются: закалка при нагреве проходящими токами и высокочастотная закалка /15/ (общим для этих методов является использование внутреннего источника тепла), и способы закалки с внешним энергетическим источником /104/. Постепенно упрочнение с помощью контактных методов нагрева было вытеснено другими более прогрессивными способами, так как первые не обеспечивали соответствующего качества и достаточной глубины упрочненного слоя после закалки и характеризовались неблагоприятным распределением напряжений по сечению деталей. Закалка в электролитах, различных расплавах не получила широкого распространения и вследствие сложности управления процессом упрочнения, плохой воспроизводимости результатов упрочнения, низкой производительности и трудности автоматизации процесса.
Расчет на ЭВМ параметров температурного поля и обсуждение полученных результатов
Подобные корреляционные коэффициенты были найдены Т.О. Коха-новской /54/ при расчете зазоров в ее исследовании закономерностей объемного копирования на электроэрозионных станках для полу-чистовых и чистовых режимов ЭЭО. Б случае режимов ЭЭТУ такие коэффициенты до сих пор определены не были и поэтому предварительно в данном исследовании был проведен эксперимент, в ходе которого подочитывались лунки, образующиеся при электроэрозионном процессе на различных режимах обработки. Б ходе эксперимента варьировалось число импульсов и наличие блоков с "защитными11 импульсами. В результате была составлена таблица расчетных эквивалентных чисел импульсов, образующих поле совместного действия тепловых источников в процессе обработки (табл. 2.3).
Б генераторах типа ШГИ число генерируемых в пакете импульсоЕ колеблется в известных пределах (из-за сложности настройки соответствующего параметра задающего генератора вследствие резкого возрастания емкости используемых конденсаторов и увеличения габаритов задающего генератора). На панели управления серийного генератора ШШ установлен переключатель на б положений, соответствующих разному числу генерируемых в пакете импульсов. Соответственно каждому положению переключателя определялось число импульсов в пакете, изменяющееся при варьировании их частоты следования. С учетом сказанного был произведен перерасчет длительностей согласно табл. 2.3.
Из работ И.Г. Некрашевича, И.А. Бакуто и М.К. Мицкевича /87, 88/ известно, что канал разряда в определенных условиях мигрирует по поверхности обработки в течение одного импульса. При развитии канала разряда фактически имеет место такое явление, когда один импульс разбивается на несколько, каждый из которых образует собственную лунку, что особенно отчетливо видно при малых амплитудах тока (рис. 2.5,а...г). Естественно, что это явление должно особенно сильно отражаться на величине зоны термического влияния, а также на шероховатости поверхности обработки, которая на малых амплитудах тока должна существенно уменьшаться, что и наблюдается на практике. Поэтому в ходе эксперимента, в котором основным варьируемым параметром была амплитуда тока разрядного импульса, уточнялись соотношения, положенные в основу табл. 2.3 для ИСКЛКЬ л. чения возможности подсчета "ложных" лунок.
Для определения коэффициента коррекции длительности импульсов при различных токах было измерено большое количество лунок (не менее 300 лунок на каждом токе). После этого были найдены следу Описанные уточнения позволили использовать расчеты на ЭВМ для прогнозирования температурных полей в поверхностных слоях обрабатываемых деталей и более точно выявить зависимость структурных превращений от параметров разрядных импульсов.
Как следует из анализа результатов работы А.А. Углова и др. /112/, область структурных превращений в приведенных в данном исследовании расчетах температурных полей будет лежать выше 900С, и можно, в первом приближении, считать, что повышение микротвердости в поверхностном слое будет происходить только в тех слоях, которые нагреваются выше указанной температуры. Такое предположение и было положено в основу расчетов образующихся зон структурных превращений после ЭЭТУ. На.рис. 2.6, 2.7 показаны зависимости величины зоны упрочнения от эквивалентной длительности импульса при различных режимах обработки Ьу= (і-а, иэ , & , пл , н) . ДЛЯ ПОСТроеНИЯ ЭТИХ зависимостей использовались данные расчетов на ЭВМ. Область, ограниченная сверху изотермой = 900С, а снизу - изотермой tn/ч = 1200С, дает, в первом приближении, величину образующейся зоны упрочнения - зоны повышенной микротвердости. Вся область, лежащая выше изотермы t = 900С, представляет собой зону металла, не претерпевающего никаких изменений в течение ЭЭТУ.
На рис. 2.8, 2.9 представлены зависимости температуры нагрева поверхностного слоя от длительности эквивалентных импульсов иэ Из э их зависимостей следует, что при коротких импульсах образование значительной зоны металла с упрочненной структурой маловероятно, причем вероятность появления таких зон при больших эквивалентных длительностях резко возрастает.
Приведенные на рис. 2.10, 2.II зависимости температуры нагрева поверхностного слоя электроэродированной детали от координаты зоны упрочнения при различной эквивалентной длительностишшуль-сов после ЭЭТУ дополняют предыдущие зависимости, облегчая определение режима обработки при заданной величине изменной зоны для деталей из чугуна.
По зависимостям, приведенным на рис. 2.12, 2.13, можно установить величины скоростей нагрева и охлаждения, их соотношение и вероятность образования зоны с упрочненной структурой.
Определение оптимальных режимов электроэрозионного термического упрочнения
При назначении режимов ЭЭО определяющими эффективность режима являются необходимая производительность обработки при стабильном протекании электроэрозионного процесса и определенная шероховатость образующейся поверхности. Качество поверхностного слоя в этом случае считалось фактором второстепенным, так как этот слой впоследствии, как правило, удалялся на доводочных операциях.
Большинство исследователей ЭЭО связывали происходящие в поверхностных слоях изменения с энергией инициируемых импульсов.
Это не могло дать исчерпывающей характеристики состояния поверхностного слоя изделия в зависимости от условий обработки.
Имеется много факторов, ЕЛИЯЮЩИХ на состояние и свойства поверхностных слоев деталей после ЭЭО /58/, и учесть относительное влияние каждого из них в настоящем исследовании невозможно. Поэтому было желательно отобрать наиболее влияющие факторы, с точки зрения их упрочняющей способности. Попытка решения этой задачи, в которой много неизвестных и отсутствует достоверное знание механизма явлений, была предпринята на основе вычислительного аппарата одного из разделов математической статистики - регрессионного анализа.
Основной предпосылкой для использования регрессионного анализа является предположение, что результаты измерений (в данном случае - величина ми кро твердо с ти поверхностного слоя детали после ЭЭТУ) есть величина нормально распределенная /50,54/» 0 таких распределениях в работах /50,54/ указывается, что они подчиняются закону Гаусса о нормально распределенных случайных величинах.
Одной из проблем, возникающих при математическом планировании эксперимента, является определение параметра оптимизации, которым очевидно должна быть одна из характеристик материала детали, в той или иной степени характеризующих ее прочность. Выбор параметров оптимизации описан в работе /58/, посвященной анализу параметров оптимизации и факторов, влияющих на качество поверхности деталей после ЭЭТУ.
В качестве такого параметра принята микротвердость поверхностного слоя детали. Важным показателем прочностной характеристики материала является также и глубина зоны упрочнения. Поэтому для достижения указанной цели - поиска оптимального режима ЭЭТУ -в описываемом экспериментальном исследовании в качестве парамет pa оптимизации была выбрана определенная микротвердость поверхностного слоя при обусловленной, исходя из требований, предъявляемым к конкретным деталям, глубине ее распространения. Практически упрочненным считался такой слой, микротвердость которого в 1,5-2 раза превышала микротвердость основного материала, а достаточной глубиной упрочнения считалась величина этой зоны в 300 мкм. Эти количественно определенные характеристики цели можно считать параметрами оптимизации.
Поставленная задача - двухпараметричеекая. Существует два способа составления и решения уравнений с несколькими параметрами оптимизации /I/: прямой - с использованием двух параметров оптимизации, приводящий к очень сложному регрессионному уравнению; и последовательный подход, разобранный в работе А. Бальда /L7/ и использованный в данном исследовании.
В этом случае исследование проводилось в два этапа. Сначала рассматривались все априорные сведения, касающиеся первого параметра оптимизации - глубины упрочненного слоя /57,59,60/. Затем, приняв указанную глубину равной 300 мкм, по уточненным данным совершался переход к решению задачи относительно другого параметра оптимизации - микротвердости измененного слоя, которая на глубине 300 мкм должна быть не ниже требуемой согласно конструкторской документации. Так в процессе данного исследования было установлено, что достаточная глубина упрочненной зоны на поверхности пальца прицепного шатуна транспортного дизеля І4Д40, составившая не менее 300 мкм, получается при среднем токе не менее 70 А, а при токах свыше 90 А поверхностный слой содержит множество распространенных микротрещин, что позволило ограничить область поиска оптимального режима ЭЭТУ для данного материала -стали 38ХМЮАФ /44/.
После выбора параметра оптимизации были отобраны факторы, правила выбора которых приведены в работе Ю.П, Адлера /I/. Выбранные факторы представлены в таблице I (приложение 3) /4,58/. При их выборе учитывалось отсутствие линейной связи между факторами, то есть их некоррелированность.
О степени влияния факторов на качество поверхностного слоя при электроэрозионном процессе сложилось определенное мнение специалистов ЭЭО, но так как количество факторов, влияющих на величину микротвердости поверхностного слоя велико, то было полезно путем опроса часть этих факторов отсеять как наименее влияющие.
При опросе выяснилось мнение 14 специалистов с различных предприятий и организаций - теоретиков и практиков электрофизических методов обработки - о степени влияния выбранных факторов в порядке убывания этого влияния на параметр оптимизации - микро-твердость поверхностного слоя. Результаты опроса представлены в виде матрицы рангов в таблице 2 ( приложение 3) /123/. Две последние строки таблицы нужны для вычисления коэффициента нонкор-дации W , характеризующегося степенью согласованности мнений исследователей.
Изготовление и упрочнение направляющей втулки выхлопного клапана транспортного дизеля 5Д49
В процессе эксплуатации втулки подвергаются усиленному истиранию в агрессивной среде при повышенных температурах порядка 150-200С и поэтому к ее поверхности, работающей в контакте со штоком клапана, предъявляются повышенные требования по износостойкости. Упрочняется поверхность, представляющая собой правильный цилиндр (рис.А.2). В качестве материала втулки исполь зуется серый чугун марки XHHHU При этом работоспособность направляющих втулок недостаточна из-за низкой износостойкости упрочняемой внутренней поверхности втулки.
При поиске оптимальной технологии с применением ЭЭТУ пришлось столкнуться с рядом трудностей, которые могут оказаться типичными при дальнейшем использовании метода. Некоторые способы преодоления этих трудностей описаны ниже.
Одним из наиболее существенных требований, невыполнение которого исключает стабильность электроэрозионного процесса, является соответствие величины реализуемого технологического тока площади обработки. Как известно из технологических зависимостей "средний ток-площадь обработки-производительность" (диаграмма 3FM» Рис« 3,4, приложение 8) при рекомендуемом среднем токе в пределах 60-100 к и производительности согласно технологическим картам на используемое серийное оборудование (генератор импульсов типа ШТИ) площадь обработки должна быть не ниже Э000 мм2 (при частоте следования импульсов 0,4 кГц). Максимальная площадь обработки при изготовлении отверстия диаметром 17,9 мм (даже при условии отсутствия предварительной металлообрабатывающей операции по прошиванию этого отверстия) равна приблизительно 240 мм , что значительно меньше оптимальной.
Решить проблему реализации найденных режимов БЭТУ при изготовлении комплекта втулок можно несколькими способами, в том числе: а) способом искусственного увеличения площади обработки путем использования дополнительного "фальшивого" ЭИ; б) применением принудительной низкочастотной "релаксации" инструментальной головки станка с ЭИ; в) с помощью многоинструментальной обработки. При первом способе обработки ЭИ изготавливается составным, причем дополнительный ЭИ обеспечивает вместе с основным работу при оптимальной площади согласно рекомендаций технологической диаграммы 3FM (рис. I, приложение 9). Из чертежа направляющей Етулки (рис. 4.2) следует, что она требует при своем изготовлении высокой точности и пониженной шероховатости рабочей поверхности отверстия диаметром 17,9 мм.Оче-видно, что замена БИ при переходе с чернового упрочняющего режима на доводочный может повлечь недопустимое искажение профиля изготавливаемого отверстия. Поэтому основной ЭИ выполнен ступенчатым (рис. 2, приложение 9). Первоначальную высоту дополнительного ЭИ необходимо делать на 0,5 мм больше длины основного инструмента, чтобы приработка совершалась по дополнительной площади, более близкой к оптимальной. Как показали эксперименты, в качестве материала для дополнительного электрода-детали можно использовать любую недефицитную сталь, а для дополнительного ЭИ - электроэрозионный графит марки ЭЭПУ, так как он более эрозионностоек, чем медь, являющаяся в данном исследовании основным материалом для ЭИ. Для проведения ЭЭ1У направляющей втулки выхлопного клапана было разработано приспособление с учетом необходимости изготовить втулку за один проход инструмента. При чистовой обработке рабочего отверстия втулки дополнительный ЭД снимается (рис. 3, приложение 9). Соотношение между диаметрами чернового и чистового ЭИ выбиралось таким образом, чтобы при чистовом проходе снималась только часть микронеровности, образующейся при электроэрозионном процессе, что позволило полностью сохранить весь упрочненный слой и благоприятный микрорельеф поверхности трения.
Описанный способ изготовления деталей с малой площадью обработки с одновременным упрочнением поверхностного слоя может быть рекомендован для единичного и мелкосерийного производства (при изготовлении матриц, пуансонов, штампов и т.д.), где можно пренебречь расходом недифицитного материала, идущего на изготовление дополнительного ЭД.
В настоящем исследовании этот способ был применен при изготовлении нескольких направляющих втулок для проверки воспроизводимости результатов режима ЭЭТУ в зависимости от технологического процесса. Металлографический анализ поверхностного слоя этих втулок показал совпадение исследуемых показателей качества при различных видах технологического процесса с использованием ЭЭТУ.
Еажным вопросом при изготовлении направляющих втулок является выбор типа электроэрозионного станка из-за высокой точности изготавливаемого отверстия. Для ЭЭТУ втулок можно рекомендовать универсальные копировально-прошивочные станки следующих моделей: 4Д722В, 4Е723 и т.д.
