Введение к работе
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 НЯСэ до 55-60 HRC3. 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 Ra = 0,63-1,25 мкм, соответствует шероховатости финишной обработки.
Применение предлагаемого способа наплавки возможно для восстановления шлицевои 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 - 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 НЫСэ 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:
-
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.
-
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 НЫСэ, 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:
-
II Международной научно-практической конференции «Экономика и технологии: инновации и модернизация» (Чехов, Московская обл., 2011).
-
Всероссийской научно-практической конференции «В мире научных открытий» (Красноярск, 2010).
-
VI Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2012).
-
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 №2403138.
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.
