Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса 8
1.1. Долговечность цилиндрических поверхностей трения деталей 8
1.2. Технологические методы восстановления размеров цилиндрических поверхностей деталей 11
Выводы по главе 26
Глава 2. Методика проведения экспериментальных исследований 27
2.1. Материалы, образцы, инструмент 27
2.2. Оборудование и экспериментальные установки 34
2.3. Средства измерения 3 8
2.4. Планирование экспериментальных исследований 41
Глава 3. Восстановление деталей машин пластическим деформированием 45
3.1. Восстановление алмазным выдавливанием 45
3.2. Восстановление выдавливанием электромеханической обработкой 47
Глава 4. Восстановление размеров деталей наплавкой ЭМО 51
4.1. Восстановление с дополнительным материалом, наносимым обмазкой. 51
4.2. Восстановление с дополнительным материалом, наносимым электромагнитом . 55
Глава 5. Исследование трения и изнашивания восстановленных цилиндрических поверхностей деталей 58
5.1. Разработка автоматизированной системы исследований трения и изнашивания цилиндрических поверхностей 58
5.2. Результаты исследования трения и изнашивания цилиндрических поверхностей 67
Глава 6. Реализация полученных результатов исследований и расчет экономического эффекта 70
6.1. Реализация результатов исследований 70
6.2. Расчет текущих и единовременных затрат 72
6.3. Экономическая эффективность использования технологии восстановления в сфере производства оси сателлитов 76
6.4. Экономическая эффективность использования технологии восстановления в сфере ремонта оси сателлитов 78
Основные выводы и результаты 82
Литература 84
Приложение 95
- Технологические методы восстановления размеров цилиндрических поверхностей деталей
- Оборудование и экспериментальные установки
- Восстановление выдавливанием электромеханической обработкой
- Восстановление с дополнительным материалом, наносимым электромагнитом
Введение к работе
В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с восстановлением и обеспечением износостойкости наружных цилиндрических поверхностей деталей при изготовлении и ремонте.
Одной из наиболее актуальных задач машиностроительного производства является задача повышения качества машиностроительной продукции. Низкое качество и невысокие эксплуатационные показатели отдельных деталей машин приводят к экономически неоправданно высоким затратам в сфере использования продукции и, как следствие, снижению ее конкурентоспособности.
В большинстве случаев основная часть деталей выходит из строя вследствие их интенсивного изнашивания в процессе трения. При этом следует заметить, что ремонт как альтернативный вариант повышения долговечности поверхностей трения в некоторых случаях необходим и высокоэффективен.
Восстановление размеров деталей экономически выгодно использовать и при изготовлении для устранения брака из-за занижения размера.
Поэтому определение возможностей по восстановлению поверхностей трения и совершенствование существующих технологических методов подчеркивает актуальность темы диссертационной работы.
Целью работы является снижение себестоимости и повышение долговечности деталей за счет алмазного и электромеханического восстановления наружных цилиндрических поверхностей трения деталей с заниженными размерами (от 0,01 до 0,6 мм) при изготовлении и ремонте. Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать существующие методы повышения долговечности цилиндрических поверхностей трения деталей машин и снижение себестоимости их изготовления путём восстановления их размеров.
Разработать технологию восстановления размеров деталей алмазным выдавливанием.
Разработать технологию восстановления размеров деталей ЭМО вытеснением.
Разработать технологию восстановления размеров деталей ЭМО при нанесении на поверхность дополнительного материала.
Разработать технологию последующей обработки восстановленных деталей.
Установить области применения разработанных методов восстановления размеров деталей.
Разработать и реализовать автоматизированную систему научных исследований (АСНИ) для проведения испытаний на трение и изнашивание цилиндрических поверхностей.
Исследовать износостойкость поверхностей деталей, восстановленных данными методами.
Методика исследований. Экспериментальные исследования базируются на современных методах математической статистики, математических методах обработки экспериментальных данных, теории планирования экспериментов, широком применении ЭВМ и автоматизированных систем научных исследований.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Эмпирические уравнения взаимосвязи величины восстановленного размера деталей с условиями алмазной и электромеханической обработки.
Установленные возможности данных методов восстановления в обеспечении величины восстанавливаемого размера деталей.
Разработанный технологический метод наплавки износостойких покрытий на цилиндрические поверхности трения при ЭМО с использованием магнитного поля.
Разработанная и реализованная АСНИ для проведения испытаний на трение и изнашивание цилиндрических поверхностей.
Установленные значения коэффициентов трения и интенсивности изнашивания цилиндрических поверхностей, восстановленных различными технологическими методами.
Научная новизна работы заключается в повышении эффективности наплавки износостойких покрытий на наружные цилиндрические поверхности трения при ЭМО за счет использования магнитного поля.
Практическая значимость:
Установлены возможности алмазной и электромеханической обработок в обеспечении требуемой величины восстанавливаемого размера и износостойкости деталей.
Разработаны методика, алгоритм определения условий алмазной и электромеханической обработок, обеспечивающих требуемые значения восстанавливаемой величины износа деталей.
Реализована АСНИ для проведения испытаний на трение и изнашивание цилиндрических поверхностей, которой могут быть оснащены машины трения.
Разработаны рекомендации по применению рассмотренных методов восстановления.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава БГТУ в 2001 — 2003 гг.; на молодежной научно-технической конференции «Славянских государств» (Брянск, 2002 г.), на заседании кафедры «Автоматизированные технологические системы» (БГТУ, 2004г).
Часть работы выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования Российской Федерации (НИР - грант "Контрольно-измерительный комплекс с элементами АСНИ для проведения испытаний на трение и изнашивание", номер государственной регистрации 0120.0 403773).
Публикации. По теме работы опубликовано 10 печатных работ.
Технологические методы восстановления размеров цилиндрических поверхностей деталей
Восстановление размеров цилиндрических поверхностей деталей может быть применено в сфере производства и при ремонте. В сфере производства - для исправления брака по причине занижения размера детали. При ремонте для восстановления изношенных поверхностей трения.
Анализ литературы [2,13, 17, 18, 19, 42, 43, 50, 51, 56, 57, 59, 62, 68, 71, 89, 91, 95, 96, 100] показывает, что для восстановления размеров цилиндрических поверхностей деталей применяются следующие методы: 1) Пластическое деформирование; 2) Напыление; 3) Наплавка; 4) Приварка добавочного металла; 5) Гальванические покрытия. Восстановление деталей пластической деформацией используется в практике в трех случаях: 1) для получения требуемых размеров изношенных поверхностей деталей; 2) для исправления геометрической формы деформированных деталей; 3) для восстановления определенных механических характеристик материала деталей. На рис.1.3 приведена классификация способов восстановления деталей пластической деформацией, которые в той или другой мере используются на ремонтных предприятиях. Восстановление напылением заключается в расплавлении подводимого к металлизатору металла и распыление его струей сжатого воздуха в направлении заранее подготовленной поверхности детали. В зависимости от источника тепла для расплавления металла различают газовую, электрическую и плазменную металлизацию. В процессе металлизации происходит окисление металла и частичное выгорание некоторых элементов, входящих в состав электродов. Частицы распыленного металла, падающие на поверхность в жидком состоянии, при ударе разбивают окисные пленки, и расплавленный металл расплескивается, мгновенно покрываясь слоем окисла.
Пористость покрытия может доходить до 10% его объема. Покрытие, представляя собой пористую массу из мельчайших окисленных частиц, имеет низкую прочность на разрыв и отличается хрупкостью.
К достоинствам металлизации напылением относят возможность наращивать на шейки валов машин, станины станков и другие детали слои стали толщиной 1,5 мм и более, с требуемыми физико-механическими свойствами. Также следует отметить сравнительную простоту и малую стоимость этого способа. Основные недостатки металлизации: хрупкость нанесенного слоя; не всегда достаточная прочность сцепления с основным металлом; снижение механической и особенно усталостной прочности деталей из-за уменьшения размеров и нарушения целости их рабочей поверхности при подготовке к металлизации и трудность последующей механической обработки.
Восстановление наплавкой позволяет заменить в изделии высоколегированную сталь, обыкновенной углеродистой или низколегированной сталью. При наплавке происходит сплавление рабочего слоя с основным металлом, что обеспечивает хорошее их сцепление. Наименьшая толщина наплавленного металла при соответствующих способах наплавки может быть порядка 0,25 мм, верхний же предел технологически не ограничен. Наплавленный металл в силу возможного наличия в нем газовых пор, шлаковых включений,, трещин и непроваров имеет более низкий предел выносливости, чем катанный или кованый металл того же химического состава и структуры. Кроме того, в наплавленной детали имеются дефекты в виде незаполненных кратеров, структурных изменений основного металла и неблагоприятно действующих остаточных напряжений. Усталостная прочность в зависимости от режима наплавки может снизиться до 25%.
В промышленности применяют следующие основные способы наплавки (рис. 1.5), применяемые при восстановлении деталей машин.
Ручная дуговая наплавка (РДН) штучными электродами -распространенная разновидность электродуговой наплавки. Для наплавки используют толсто обмазанные электроды диаметром 3.. .6 мм.
Классификация способов наплавки Для наплавки неплавящимся электродом в качестве электродов используют графитовые стержни диаметром 5...40 мм и вольфрамовые прутки. При этом присадочный металл вводят в зону дуги в виде проволоки или в виде порошка. Для улучшения качества наплавленного слоя в порошок добавляют от 2 до 5 % плавленой буры. Толщина слоя получается в 2-3 раза меньше толщины насыпанного слоя порошка. За один проход наплавляют слой не толще 2 мм. Качество наплавленного металла получается невысоким из-за окисления легирующих элементов, образования пор, неметаллических включений и других дефектов.
Газопламенную наплавку с присадкой прутков или проволоки выполняют вручную главным образом ацетиленовыми горелками. Такую наплавку применяют в основном для нанесения износостойких сплавов типа стеллита, сормайта и др. При наплавке этих материалов используют флюсы на основе буры и борной кислоты.
Газопорошковая наплавка позволяет восстанавливать детали сложной конфигурации слоем минимальной толщины (0,1...0,3 мм). Для наплавки используют специальные горелки. Недостаток этого способа - низкое использование наплавочных материалов (50-60%).
Наплавка под флюсом не смотря на ряд достоинств исключает визуальное наблюдение за формированием валиков, часто требует использования различных флюсоудерживающих и формирующих устройств. При наплавке деталей малого диаметра, глубоких внутренних поверхностей затруднено удаление шлаковой корки [107].
Оборудование и экспериментальные установки
При проведении экспериментальных исследований по установлению возможностей метода электромеханического восстановления изношенных цилиндрических деталей машин использовалась установка для электромеханической обработки, разработанная и изготовленная на кафедре «АТС» БГТУ. Установка изготовлена на базе токарно-винторезного станка мод. 1К62.
Принципиальная схема установки для электромеханического восстановления изношенных деталей. 1 - блок управления; 2 - токоприемник; 3 - заготовка; 4 -инструментальная оснастка; 5 - силовой трансформатор.
Техническая характеристика установки: Диаметр обрабатываемой детали Максимальная потребляемая мощность Напряжение во вторичной цепи Сила тока во вторичной цепи Частота тока Напряжение питания - 200 мм; 8 кВт; 1,5-4 В; 500 -4500 А; 50 Гц; 220/380 В.
Восстанавливаемая заготовка 3 закрепляется в шпинделе станка (в патроне или в центрах). Кулачки патрона с помощью медных шин соединены с токоприемником 2. В резцедержателе суппорта устанавливается изолированная от станка инструментальная оснастка 4 с роликом инструментом. Токоприемник патрона и инструмент соединены с силовым трансформатором 5, в качестве которого используется трансформатор машины для шовной контактной сварки, предназначенной для работы в режиме короткого замыкания тока и преобразующий напряжение -220/380 В тока промышленной частоты в ток большой силы и низкого напряжения. Управление режимами обработки осуществляется с помощью блока управления 1, в качестве которого применяется прерыватель сварочный типа ПСЛТ-1200.
Восстановление ведется с подачей в зону обработки СОТС, представляющей собой раствор электролита (ТМаСОз - 0,7%, NaNOs - 2%, NaN03 - 5%, Н20 - 92,3%).
Для проведения экспериментов по восстановлению с дополнительным материалом было разработано и изготовлено приспособление (рис. 2.9) для подачи в зону контакта инструмента 2 и заготовки 1 металлического порошка и удержания его в рабочей зоне. Оно состоит из бункера 6 с соплом 7 и электромагнита 4, закрепленных на направляющих 3. К сердечнику электромагнита крепятся две удлинительные планки 5, подводимые к зоне контакта заготовки и инструмента. Планки в зоне контакта установлены с небольшим зазором, в котором создается электромагнитное поле, способствующее «вытягиванию» порошка из бункера в зону контакта и удержания его там.
В качестве дополнительного материала применялся порошок из ленты для наплавки марки ПЛ-АН 171, применяемой для наплавки износостойкого покрытия на детали землесосов и шнеков, броневые плиты, детали ходовых частей машин и др. Химический состав наплавленного металла представлен в табл. 2.6 [32,44, 48].
Для измерения величины восстановленного размера использовались микрометр типа ММСс 25 - 50 с ценой деления 0,002 мм производства завода «VIS» (Польша), и микрометр МК 25 - 50 с ценой деления 0,01 мм (USSR ГОСТ 6507-78).
Микротвердость поверхностного слоя определялась на микротвердомере ПМТ-ЗМ, предназначенном для измерения микротвердости металлов, сплавов, минералов и других материалов методом вдавливания в испытуемый материал алмазных наконечников Виккерса, Кнушга и Берковича. Диапазон нагрузок от 0,0196 до 4,9 Н (от 07002 до 0,5 кгс). Увеличение нагрузки - ручное. Последующие измерения отпечатков производятся с помощью фотоэлектрического окулярного микрометра.
Для измерения параметров шероховатости поверхности образцов использовалась автоматизированная система научных исследований АСНИ-1 «АТС-1», изготовленная на базе профилографа-профилометра мод. 170311 и ПЭВМ (рис. 2.10 а).
Важной особенностью является использование цифрового канала дистанционного управления параметрами измерений. Для этого используется один байт. Четыре разряда служат для назначения величины вертикального увеличения, другие четыре устанавливают длину трассы интегрирования и отсечки шага. При использовании в качестве аналитического модуля ЭВМ необходимость в назначении трасс интегрирования и отсечки шага отпадает.
Использование аналогового выхода профилометра не отличается от обработки любого другого аналогового сигнала, и полностью совпадает с процедурами, применяемыми в других АСНИ. Перед началом работы производится трассировка эталона шероховатости. Система автоматически с учетом коэффициента увеличения, рассчитывает переводной коэффициент пересчета безразмерных величин, получаемых в результате АЦ-преобразований в микрометры. Полученный массив данных может быть обработан в двух режимах. Первый режим полностью совпадает с рекомендуемым стандартом. Второй режим специально создан для нестандартных схем измерения - с короткой длиной протяжки, при изменении шероховатости на криволинейных поверхностях, на деталях с резкими колебаниями шероховатости, с глубокими рисками и вырывании металла. В этом режиме пользователю предоставляется возможность самостоятельно задать интервал для расчета параметров шероховатости. Программа рассчитывает все параметры шероховатости, регламентируемые [31] (рис. 2.10 б).
Восстановление выдавливанием электромеханической обработкой
Высадка металла при восстановлении ЭМО осуществляется за счет внедрения инструмента, который представляет собой слегка притуплённый клин. Очевидно, что для достижения максимальной величины высадки, а следовательно и для достижения минимального предела текучести восстанавливаемого материала, необходимо подводить к месту контакта инструмента максимальную силу тока. Однако выбор силы тока ограничивается его прочностью и стойкостью. Для материала инструмента, применяемого в данной работе, был проведен ряд экспериментов и определены значения максимальной силы тока, исходя из его стойкости, и минимальное значение, при котором начинало заметно сказываться его влияние и исходя из технологических возможностей установки.
Как показали многие исследования [5, 6, 7, 22], с увеличением угла заточки инструмента величина выдавливания уменьшается. Объясняется это тем, что с увеличением угла заточки уменьшается радиальная составляющая давления. Однако его уменьшение на угол, меньший 45, приводит к существенному снижению стойкости инструмента, сопровождающемуся его хрупким разрушением,
Из анализа стойкостных зависимостей инструмента по [5, 6, 7, 30] и на основе собственных экспериментальных исследованиях, проведенных на инструменте из быстрорежущей стали Р6М5, жаропрочной стали 95X18, твердого сплава ВК8 можно принять рациональной геометрией заточки инструмента следующую: угол заточки 50...60, радиус высаживающей кромки ОД.. .0,2 мм.
Исходя из этого, для проведения экспериментальных исследований, были назначены уровни входных факторов Х;: 1) сила тока (I, А) - XI; 2) сила выдавливания (Р, Н) - Х2; 3) величина продольной подачи инструмента (S, мм/об) - ХЗ; 4) число рабочих ходов ( І ) - Х4.
Их значения представлены в табл. 3.3. Каждый опыт эксперимента проводился с тремя повторениями. Матрица планирования эксперимента и средние значения выходного фактора Y, мм (величина восстановленного размера), представлены в табл. 3.4.
В качестве окончательной отделочной обработки, после операции восстановления рекомендуется доводка чугунной колодкой с нанесением алмазной пасты. Величина снимаемого припуска составляет 0,01 - 0,03 мм.
Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что электромеханическое выдавливание позволяет эффективно восстанавливать размер наружных цилиндрических поверхностей с последующей доводкой на 0,02-0,1 мм.
При данном способе восстановления цилиндрических поверхностей на величину восстановленного размера большее влияние оказывает сила тока. Это вполне понятно и объясняется тем, что с увеличением силы тока повышается глубина проникновения высокой температуры, уменьшается предел текучести обрабатываемого материала, а следовательно, повышается интенсивность выдавливания.
Большое влияние на свойства покрытия оказывает способ его получения. Часто способ нанесения покрытия предопределяет область его применения. В частности, при получении антифрикционного покрытия большой пористости целесообразно применять способы с малой активацией по силовому (механическому) фактору, так как большое давление при припекании может привести практически к беспористому покрытию.
Основным активирующим фактором в случае применения порошков является химическое активирование. Во многих случаях без введения химически активных добавок получить качественные покрытия невозможно. Наиболее удобно химическое активирование производить внедрением порошков кремния и бора; причем содержание 2 — 2,5% каждого является оптимальным [15,16,26, 27, 28].
Для проведения исследований по восстановлению с дополнительным материалом в результате проведенного анализа в гл.1 были выбраны в качестве факторов, оказывающих основное влияние на величину восстановленного размера следующие: 1) сила тока (I)- XI; 2) сила прижатия инструмента ( Р ) - Х2; 3) скорость вращения заготовки ( и ) - ХЗ. В результате проведения собственных предварительных исследований и на основе рекомендаций по литературным данным был проведен ряд экспериментов по выбору связующего компонента для обмазки. Эксперименты проводились с использованием этилсиликата (жидкое стекло), цапон лака, графитной смазки. Дополнительный материал (порошок) перемешивался со связующим компонентом в соотношении 1:1, и наносился равномерным слоем на восстанавливаемую поверхность. В результате проведенные эксперименты позволили выбрать в качестве связующего компонента при нанесении порошка на поверхность обмазкой - графитную смазку, как пластичный, электропроводный материал, и дающий удовлетворительные результаты по качеству наплавленного слоя.
Для получения более равномерного слоя рекомендуется наносить тонкий слой связующего компонента на восстанавливаемую поверхность, а потом наносить дополнительный материал путем его свободного просыпания на обмазанную поверхность.
В качестве рабочего инструмента при проведении данных экспериментов применялись инструменты - ролики из бронзы марки БРХ0,7, и псевдосплава карбида вольфрама с медью. После наплавки 3-х слоев производилось упрочнение восстановленного слоя путем прохождения инструментом на тех же режимах с подачей СОТС поливом в зону обработки.
Восстановление с дополнительным материалом, наносимым электромагнитом
Сравнительные испытания на износостойкость выполнялись в условиях граничной смазки по схеме «вал - колодка» с использованием разработанной АСНИ для проведения испытаний на трение и изнашивание (рис. 5.4). Как известно, конечной целью применения АСНИ является повышение эффективности процессов построения экспериментальных математических моделей изучаемых процессов, явлений, объектов. Использование их преследует и другую, часто не менее важную цель — сокращение общего времени, затрачиваемого на проведение научного исследования» эксперимента или испытания. Несмотря на существенные различия в составе АСНИ, применяемых в машиностроении, они должны выполнять следующие задачи [1,10, 90,105]: 1) сбор и накопление экспериментальных данных; 2) ввод и машинная обработка измерительной информации; 3) планирование эксперимента; 4) формирование и выдача экспериментатору результатов обработки и исходных данных об исследуемом объекте (явлении, процессе) в виде, удобном для быстрого анализа и принятия правильного решения о дальнейшем ходе эксперимента; 5) длительное хранение экспериментальной информации (особенно полученной при проведении дорогостоящих и трудноповторимых исследований) с целью последующей обработки; 6) контроль работоспособности отдельных устройств и системы в целом, как в период подготовки испытания, так и в процессе его проведения, а также после завершения; 7) управление работой технических и программных средств системы, исследовательских установок и стендов.
В соответствии с этими задачами строятся организация системы и программно-математическое обеспечение, а также производится оснащение ее техническими средствами.
Износ трущихся тел характеризуется количеством отделившегося с их поверхностей материала. Однако эта характеристика не всегда адекватно отражает результат процесса изнашивания.
Так, при пластическом деформировании одного из элементов пары трения количество отделившегося материала может быть близким к нулю, а износ - достигать предельно допустимых значений. В этом случае более эффективно измерение линейных размеров трущихся тел.
При эрозионном, кавитационном и усталостном изнашивании возможна ситуация, когда такие интегральные характеристики, как изменение массы или линейных размеров тел трения незначительны, а поверхности трения покрываются густой сеткой трещин, углублений, полос скольжения. Здесь необходимо применение методов качественной оценки разрушения поверхностей трения. Таким образом, очевидна необходимость использования различных методов измерения в зависимости от вида изнашивания и продолжительности испытаний.
Величина суммарного износа измеряется тензометрическими датчиками сопротивления, наклеенными на тензобалку (рис. 5.5). В данном случае более рационально использовать схему полного моста соединения тензорезисторов (рис. 5.1) [83, 92]. Здесь все четыре тензорезистора включены в схему моста. В этом случае они выполняют функции как активных, так и компенсационных. Напряжение на выходе моста (5.1) AR R вых пит где AR - изменение сопротивления активных тензорезисторов при деформировании объекта исследования; UnHT - напряжение питания тензомоста; UBbJX — напряжение на выходе тензомоста. 11вых Рис. 5.1. Схема тензометрического моста Принципиальная схема усилителя сигнала тензодатчиков представлена нарис. 5.2. Ї Е СІ Umrr=5 в Рис. 5.2. Схема усилителя сигналов тензодатчиков Здесь напряжение на выходе тензомоста балансируется с помощью переменного резистора R2, что позволяет выставлять значение регистрируемого сигнала на ноль, осуществляя таким образом «корректировку нуля». Резистор R1 обеспечивает путь протекания входного тока, т.к. это требуется для сохранения работоспособности прибора (при отсутствии цепей протекания входного тока потенциал на входе может превысить диапазон допустимых синфазных входных напряжений, что приведет к нарушению работоспособности микросхемы). В нашем случае, когда дифференциальное входное сопротивление источника сигнала мало, цепь протекания (заземленный резистор R1), может быть подключен только к одному из входов. Фильтрация сигнала осуществляется с помощью простого R-C фильтра, так же как и в усилителе датчика перемещений.
Для измерения силы трения (коэффициента трения) используется фотоимпульсный преобразователь. Данный преобразователь установлен вместо механического самописца для измерения угла а рис. 5.6. Сигнал с данного датчика непосредственно в цифровом виде и в процессе измерения поступает в ПЭВМ через СОМ — порт и результаты отображаются на мониторе ПЭВМ (рис. 5.6).
