Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования... 13
1.1 Применение пружинных зубьев в качестве рабочих органов машин для уборки сена 13
1.2 Факторы, влияющие на работоспособность пружинных зубьев 36
1.3. Влияние релаксации напряжений в пружинных зубьях на технико- экономические показатели работы сеноуборочных машин 39
1.4 Обзор способов восстановления пружинных зубьев сеноуборочных машин 40
1.4.1 Восстановление формы рабочей зоны периметра пружинных зубьев рихтовкой 40
1.4.2 Восстановление рабочих параметров зубьев граблей и подборщиков накаткой роликом 40
1.4.3 Восстановление параметров зубьев термофиксацией на оправке 41
1.5 Выводы, цель и задачи исследования 42
2. Теоретические предпосылки восстановления параметров пружинных зубьев сеноуборочных машин электромеханической обработкой 44
2.1 Аналитическое обоснование схемы технологии восстановления рабочих параметров пружинных зубьев 44
2.2 Сущность и преимущества электромеханического способа восстановления пружинных зубьев 55
2.3 Разработка инструмента и оснастки для восстановления рабочих параметров пружинных зубьев машин для уборки сена 63
2.3.1 Анализ и расчет зон максимальных рабочих напряжений, возникающих в зубьях при эксплуатации 63
2.3.2 Разработка устройства для восстановления рабочих параметров пружинных зубьев машин для уборки сена 65
2.4 Выводы 68
3. Программа и методика исследований 69
3.1 Программа исследований 69
3.2 Методика исследования дефектов пружинных зубьев 71
3.3 Методика исследования влияния режимов восстановления на рабочие параметры пружинных зубьев 73
3.4 Методика выбора рекомендуемого режима восстановления зубьев. 75
3.5 Методика металлографического исследования материала прутка пружинных зубьев 75
3.6 Методика исследования напряженно-деформированного состояния материала пружинных зубьев 76
3.6.1 Методика исследования остаточных напряжений 76
3.6.2 Методика исследования плотности дислокаций 78
3.7 Методика исследования релаксации напряжений в восстановленных зубьях при статическом нагружении 79
3.8 Методика стендовых испытаний 79
3.9 Методика эксплуатационных испытаний 80
ЗЛО Методика обработки экспериментальных данных и оценки точности измерений 80
4. Результаты исследований 82
4.1 Качественные и количественные характеристики ремонтного фонда пружинных зубьев поперечных грабель ГП-14 82
4.2 Результаты экспериментального исследования влияния режимов восстановления на рабочие параметры пружинных зубьев 90
4.2.1 Результаты исследования влияния режимов ЭМО на потенциальную энергию восстановленных пружинных зубьев 90
4.2.2 Результаты исследования влияния режимов ЭМО на смещение свободного конца, восстановленных зубьев 97
4.3 Результаты факторного эксперимента и выбор, рекомендуемых режимов восстановления 104
4.4 Результаты исследований микроструктуры и микротвердости пружинных зубьев, восстановленных на рекомендуемом режиме 106
4.5 Результаты исследования напряженно-деформированного состояния материала восстановленных зубьев 108
4.5.1 Остаточные напряжения 108
4.5.2 Плотность дислокаций 109
4.6 Результаты исследований релаксации напряжений в восстанов ленных зубьях при статическом нагружении 111
4.7 Результаты стендовых испытаний 112
4.8 Результаты эксплуатационных испытаний 113
4.9 Выводы 114
5. Технологический процесс восстановления пружинных зубьев сеноуборочных машин и его технико- экономическое обоснование 117
6. Общие выводы 121
7. Список литературы
- Факторы, влияющие на работоспособность пружинных зубьев
- Сущность и преимущества электромеханического способа восстановления пружинных зубьев
- Методика исследования влияния режимов восстановления на рабочие параметры пружинных зубьев
- Результаты экспериментального исследования влияния режимов восстановления на рабочие параметры пружинных зубьев
Введение к работе
Актуальность темы.
Эффективность работы сеноуборочных машин зависит от надежности основных узлов и деталей - способности выполнять заданные функции с минимальными затратами труда и материальных средств в течение длительного времени.
Потери сена в результате снижения величин рабочих параметров пружинных зубьев, а также затягивания агротехнических сроков сенокошения и нарушения условий получения высококачественного сена составляют более 25 % от возможного сбора. При наличии в нашей стране более 57,5 млн га сенокосных угодий даже минимальные нарушения в работе пружинных зубьев сеноуборочных машин приносят значительные убытки.
Пружинные зубья являются рабочими органами многих сеноуборочных машин. Это поперечные грабли ГП-14, боковые грабли ГБУ-6,0, фронтальные колесно-пальцевые грабли-валкооборачиватели ГВ-Ф-3,0, роторные грабли ПН-600, подборщик-полуприцеп ТП-Ф-4,5, барабанный подборщик с пружинными пальцами, подборщик с убирающимися пальцами, полотенно-пальцевый подборщик, цепочно-пальцевый подборщик, рулонные пресс-подборщики ПРП-16 и ПРФ-750 и др.
В процессе эксплуатации машин для уборки сена изменяются рабочие параметры пружинных зубьев. Это приводит к снижению эффективности работы всей сеноуборочной машины.
Изменение заданной формы рабочей зоны периметра и физико-механических свойств материала зубьев оказывает значительное влияние на такие эксплуатационно-технические качества граблей и подборщиков, как максимальная масса формируемого валка сена, качество подбора и сгребания, скорость движения, снижая при этом производительность сеноуборочного агрегата. Известные способы восстановления пружинных зубьев имеют ряд недостатков, основными из которых являются недостаточная точность воспроизведения формы рабочей зоны периметра зубьев и невысокий вторичный ресурс восстановленных деталей.
Таким образом, разработка и исследование новой более совершенной технологии восстановления пружинных зубьев сеноуборочных машин актуальны и представляют теоретический и практический интерес.
В области восстановления деталей сельскохозяйственной техники большой вклад внесли такие видные ученые как: Б.М.Аскинази, Ф.Х.Бурумкулов, Д.Г.Вадивасов, А.С.Денисов, И.А.Долгов, М.Н.Ерохин, Б.П.Загородских, В.Н.Кряжков, В.И.Казарцев, В.П.Лялякин, Г.Д.Межецкий, Ф.Я.Рудик, В.В.Сафонов, В.В.Стрельцов, И.Е.Ульман, В.И.Цыпцын, В.Н.Черноиванов, В.А.Шадричев, Г.П.Шаронов и др. [5-20]
В процессе эксплуатации машин для уборки [21,22,23] сена изменяются рабочие параметры пружинных зубьев и физико-механические свойства материала, из которого они изготовлены. Это приводит к снижению эффективности использования всей сеноуборочной машины в целом. Изменение заданной формы периметра, снижение упругих характеристик материала оказывают значительное влияние на такие эксплуатационно-технические качества граблей и подборщиков, как вес формируемого валка, производительность, скорость движения, расход топлива и тяговые характеристики машинно-тракторного агрегата, а также безопасность движения.
Известные способы восстановления пружинных зубьев имеют ряд недостатков, основными из которых являются недостаточная точность воспроизведения формы рабочей зоны периметра и невысокий послеремонтный ресурс. Анализ научно-технической и патентной литературы позволили выявить сравнительно новое и перспективное направление восстановления упругих элементов - высокотемпературную термомеханическую обработку. ВТМО, которая, совмещаясь с деформацией детали изгибом, в направлении обратном направлению приложенной при эксплуатации нагрузки, является эффективным средством создания барьеров, перемещению дислокаций и снижения скорости релаксационных процессов при послеремонтной эксплуатации восстановленных деталей.
Однако, многие вопросы разработки технологического процесса и эффективного применения электромеханической обработки (одного из видов ВТМО) требуют в настоящее время дополнительных изысканий. Необходимы теоретические исследования, позволяющие обосновать и разработать схему технологического процесса. Требуется выявить, исследовать интерполяционные зависимости влияния режимов ЭМО на рабочие параметры восстановленных деталей. Следует также изучить металлографические характеристики и напряженно-деформированное состояние материала зубьев, восстановленных на рекомендуемом режиме, а также провести лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания.
Таким образом, разработка и исследование новой более совершенной технологии восстановления пружинных зубьев сеноуборочных машин актуальна и представляет теоретический и практический интерес.
Цель работы - повышение эффективности восстановления рабочих параметров пружинных зубьев сеноуборочных машин электромеханической обработкой.
Объект исследования — технологические процессы восстановления рабочих параметров пружинных зубьев сеноуборочных машин.
Предмет исследования - пружинные зубья поперечных граблей ГП-14, предназначенных для сгребания сена в валок.
Методика исследования включала в себя лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания пружинных зубьев, как новых, так и восстановленных различными способами. Дефекты пружинных зубьев,
отработавших ресурс, и коэффициенты их повторности определяли в ходе исследования ремонтного фонда этих деталей. Совершенствование технологии восстановления потребовало проведения комплекса исследований по изысканию интерполяционных зависимостей влияния режимов электромеханической обработки на параметры пружинных зубьев с дальнейшим выявлением рекомендуемого режима восстановления. Физико-механические свойства материала пружинных зубьев, восстановленных на рекомендуемом режиме, исследовали с помощью микроструктурного и рентгенографического анализов, а также в ходе статических, динамических стендовых и эксплуатационных испытаний. Результаты обработаны методами математической статистики с использованием типовых программ и персональной ЭВМ.
Научная новизна диссертации заключается в комплексном решении задачи снижения расходов на ремонт сеноуборочной техники совершенствованием технологий восстановления рабочих параметров пружинных зубьев электромеханической обработкой (ЭМО) и подтверждается следующим:
• на основе энергетического подхода теоретически смоделирована и экспериментально подтверждена гипотеза о возможности восстановления рабочих параметров пружинных зубьев сеноуборочных машин электромеханической обработкой;
• получена аналитическая зависимость для выбора режимов технологии восстановления рабочих параметров пружинных зубьев;
• определены интерполяционные зависимости влияния режимов электромеханической обработки на рабочие параметры восстановленных пружинных зубьев;
• выявлена факторная область рациональных режимов электромеханической обработки, при которых параметры восстановленных зубьев соответствуют техническим требованиям, выбран рекомендуемый режим, положенный в основу технологии восстановления. Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
• теоретическое обоснование комплекса технологических мероприятий, необходимых и достаточных для восстановления рабочих параметров пружинных зубьев сеноуборочных машин электромеханической обработкой;
• интерполяционные зависимости влияния режимов электромеханической обработки на рабочие параметры пружинных зубьев;
• результаты исследования влияния режимов восстановления на физико-механические свойства материала и напряженно-деформированное состояние восстановленных пружинных зубьев;
• результаты стендовых и эксплуатационных испытаний пружинных зубьев, восстановленных электромеханической обработкой;
• анализ зависимостей влияния режимов ЭМО на рабочие параметры пружинных зубьев и выбор рекомендуемого режима восстановления.
Практическая ценность. По результатам исследований разработаны комплект технологической документации, оборудование и оснастка, позволяющие:
• комплексно устранять дефекты предельно изношенных пружинных зубьев сеноуборочных машин и восстанавливать их рабочие параметры;
• разрабатывать технологические процессы восстановления пружинных зубьев различных типоразмеров и наименований электромеханической обработкой;
• назначать рекомендуемые режимы восстановления зубьев, гарантирующие качество изделий, сопоставимое с качеством новых деталей.
Реализация результатов исследования. Технологический процесс восстановления пружинных зубьев поперечных грабель ГП-14 для сгребания сена в валок внедрен в ООО «Гранд» Ртищевского района Саратовской области. Результаты проведенных исследований могут быть использованы на ремонтно-технических и других предприятиях, осуществляющих эксплуатацию и ремонт сеноуборочной техники. Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» в 2006-2009 гг.; Международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию Саратовского госагроуниверситета (26-27 ноября 2008 г.); XVIII Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и технологии - эффективному агропроизводству» (г. Пермь, 16-17 апреля 2008 г.); IV Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (г. Пенза, 2008); II Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы» (г. Саратов, февраль 2008); Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.В. Красникова (г. Саратов, 2008); Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора Д.Г. Вадивасова (г. Саратов, 2009).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 научных работах общим объемом 1,45 печ. л., 0,9 печ. л. принадлежит соискателю. Имеются одна статья в издании, рекомендованном ВАК РФ, и один патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 48 рисунков, 2 приложения. Список использованной литературы включает в себя ПО наименований.
Факторы, влияющие на работоспособность пружинных зубьев
Релаксация напряжений графически изображается в виде кривой релаксации имеющей два участка - первый, который характеризуется резким падением напряжений, и второй, на котором падение напряжений замедляется. В основу разделения кривой релаксации на два участка положено представление о различных механизмах релаксации на первом и втором участках. Первый участок кривой релаксации определяется действием процессов, протекающих на границах зерен поликристаллического металла и представляющих диффузные явления. Второй участок кривой релаксации определяется действием процессов, протекающих в теле зерна и представляет сдвиговые явления.
Согласно современной теории дислокаций [35,36,37,38,39] сдвиговые процессы в кристаллической решетке протекают быстрее при наличии несовершенств решетки дислокаций. Теория дислокаций комментирует многие стороны процесса пластической деформации: упрочнение при наклёпе, упрочнение при деформационном старении зерен, незначительную величину действительных напряжений сдвига по сравнению с теоретическими, внутреннее трение и строение границ зёрен.
Релаксация напряжений - это один из видов пластической деформации. Механические процессы релаксации представлены сдвиговым, диффузионным и пограничным механизмом пластичности. В условиях высоких температур и небольших напряжений преобладают процессы диффузионной пластичности. При низких температурах и больших напряжениях преобладает сдвиговый механизм. В условиях промежуточных температур и напряжений сочетаются сдвиговый механизм деформации с диффузионным.
Сдвиговые процессы - сдвиг и двойникование. Сдвиг представляется как смещение одной части зерна по отношению к другой. Двойникование - это сдвиговые процессы с одновременной симметричной переориентацией деформированной части зерна[40,41,42,43,44].
Диффузионные процессы - диффузионная пластичность, растворительно-осадительный механизм, дислокационно-диффузионный механизм пограничные процессы. Процессы диффузии могут ускорять пластическую деформацию сдвиговым путем, освобождая дислокации, задержанные различными препятствиями, перемещая дислокаций в плоскость скольжения не заблокированную препятствиями [45,46]. В процессе эксплуатации сеноуборочных машин пружинные зубья работают в условиях циклически изменяющихся, а также статических нагрузок при температуре окружающей среды. При увеличении числа циклов нагружения величина напряжений в пружинных зубьях снижается, что на практике проявляется в виде изменения заданного спирального профиля пружинного зуба.
Рабочие напряжения, возникающие в пружинных зубьях при сгребании сена в валок - один из решающих факторов, влияющих на релаксацию напряжений. С увеличением рабочих напряжений процесс релаксации ускоряется. При невысоких температурах и определенной выдержке имеет место прямолинейная зависимость между величиной рабочего напряжения и напряжения, снятого в результате релаксации. С повышением температуры увеличивается падение напряжений на 1-ом участке кривой релаксации и наклон второго участка.
Фактор периода эксплуатации также влияет на релаксацию напряжений в пружинных зубьях. С увеличением времени нагружения на первом участке скорость релаксации снижается, для второго участка определена линейная зависимость между рабочим напряжением и скоростью релаксации.
В процессе эксплуатации при подборе и уборке сена в валок пружинные зубья сеноуборочных машин нагружены изгибом в следующих случаях [24]: - при работе на высокоурожайных участках сеяных трав; - при сгребании и подборе сена повышенной влажности; - при формировании валка плотностью до 4 кг/м; - при работе колесно-пальцевых грабель, когда зубья прижимаются к земле усилием 100-130Н; - при наезде на неровности стерни; - при работе на слабонакаченных шинах.
Перечисленные виды предельного нагружения пружинных зубьев ускоряют процессы релаксации напряжений и снижают технико-экономические показатели работы сеноуборочного агрегата [21,22]: - ухудшается качество подбора и сгребания сена, и увеличиваются потери; - нарушаются условия закручивания сена в валок; - сено чрезмерно загрязняется землей и сгруживается впереди поперечных грабель; - снижается скорость движения сеноуборочной машины; - увеличивается расход топлива тягового трактора; - снижается производительность сеноуборочного агрегата.
Сущность и преимущества электромеханического способа восстановления пружинных зубьев
Анализ работы грабельных зубьев показал, что рабочие напряжения неравномерно распределяются по сечению детали при эксплуатации (рис. 2.6). Следовательно, релаксация напряжений наиболее интенсивно происходит в нагруженных зонах на поверхности зуба. Упрочнение этих зон позволяет повысить физико-механические свойства материала прутка зуба, восстановить его рабочие параметры и возобновить ресурс за счет снижения скорости протекания релаксационных процессов.
Высокотемпературная термомеханическая обработка металлов -совокупность операций пластической деформации, нагрева и охлаждения, в результате которых формирование окончательной структуры сплава и его свойств происходит в условиях повышенного числа несовершенств кристаллов, созданных пластической деформацией [81-82]. В основе ВТМО лежит процесс, при котором деформация производится при температуре выше порога рекристаллизации. Прочность при ВТМО повышается за счет увеличения плотности дислокаций и более равномерного их распределения, увеличения протяженности границ субзёрен, создания дислокационных барьеров. Все это способствует уменьшению размеров мартенситных игл в закаленной структуре. Увеличение плотности дислокаций определяет направление скольжения внутри зерен и способствует увеличению прочности пластически деформированного слоя металла [ 83-85].
Электромеханическая обработка - один из видов ВТМО и характеризуется следующими особенностями: - тепловое и силовое воздействие на поверхность детали осуществляется одновременно, а не последовательно, нагрев при этом сопровождается воздействием значительных удельных давлений; - нагрев поверхностного слоя металла происходит от действия внутреннего тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока, особенностью такого источника тепла является то, что теплота создается одновременно и мгновенно во всем поверхностном слое; - длительность нагрева и выдержка, в зависимости от поверхности контакта и скорости обработки, весьма кратковременны (измеряются сотыми и тысячными долями секунды); - высокая скорость охлаждения определяется интенсивным отводом теплоты от поверхностного слоя вовнутрь холодной детали или охлаждающей жидкостью.
Проведенные аналитические и теоретические изыскания положены в основу электромеханического способа восстановления пружинных зубьев сеноуборочных машин, который заключается в следующем.
Основным условием эффективной работы сеноуборочных машин является строго определенная форма рабочей зоны периметра грабельных зубьев, обеспечивающая формирование валка максимальной плотности путем свертывания слоя сена с весом 1 пог.м до 4 кг/м, а не путем сгруживания сена впереди грабельных зубьев, т.е. волочения сена по стерне. На практике форма рабочей зоны периметра зубьев граблей ГП-14 - это спираль Архимеда или логарифмическая спираль. При работе грабельный зуб разгибается в сторону приложенного при эксплуатации нагружения. Форма рабочей зоны периметра зубьев, отработавших ресурс, искажается, эффективность работы поперечных грабель значительно снижается.
Разработанная схема способа восстановления пружинного зуба граблей ГП-14 заключается в следующем [86].
Зуб 1 (рис. 2.11), отработавший ресурс верхним концом закрепляют в неподвижный зажим 2, с противоположных сторон, к неподвижному зажатому концу зуба, подводят два обжимающих ролика 3 и 4 и прижимают к поверхности зуба усилием N. Для нагрева поверхности контакта роликов 3 и 4 с зубом 1 служат трансформатор 5 и магнитный пускатель 6. токоподводы трансформатора 5 закреплены на обжимающих роликах 3 и 4. Охлаждающая жидкость подводится в зону нагрева по трубке 7. При работе одновременно: - придается вращение роликам 3,4, они обкатывают восстанавливаемый зуб 1, перемещаясь от неподвижно зажатого верхнего конца к находящемуся в свободном состоянии нижнему концу зуба (рис. 2.11; 2.12; 2.13, 2.14); - включают магнитный пускатель 6, между роликом 3, зубом 1 и роликом 4 пропускается электрический ток; - пруток зуба в каждом сечении подвергается нагреву, поверхностному пластическому деформированию и изгибу за счет перемещения роликов 3 и 4 на величину AR по направлению к центру построения 0, заданной формы зуба. Причем величину гибки AR роликами 3 и 4 осуществляют непрерывно последовательно в каждом разогреваемом между ними сечении (рис.2.15) и рассчитывают по формуле: AR - р2 -Ру\ -d{a2 +180)-/(«] + \W) = d(a2 -а{), где: pl/i - радиус кривизны периметра зуба в сечении 1-І (м); Руг - радиус кривизны периметра зуба в сечении II-II (м); а, - угол расположения роликов в сечении 1-І (град.); а2 - угол расположения роликов в сечении И-П(град.); d - коэффициент 1. Восстанавливаемый грабельный зуб 1 (рис.2.11) последовательно в каждом своем сечении подвергается одновременному нагреву, изгибу и поверхностному пластическому деформированию между роликами 3,4, причем изгиб каждого нагреваемого сечения осуществляют на величину ДЯ в направлении обратном направлению нагружения при эксплуатации, и охлаждению жидкостью, которая поступает по трубке 7. Разработанный способ по сравнению с известными способами восстановления зубьев грабель имеет следующие показатели.
Методика исследования влияния режимов восстановления на рабочие параметры пружинных зубьев
Цель исследования - изыскать интерполяционные зависимости влияния режимов ЭМО на рабочие параметры грабельных зубьев.
Специфика электромеханического способа восстановления грабельных зубьев выдвигает ряд требований, которым должна удовлетворять экспериментальная установка. Она должна обеспечивать: - одновременный нагрев, последовательное поверхностное пластическое деформирование и закалку каждого сечения пружинного зуба; - деформацию изгибом сечений грабельного зуба в сторону, противоположную направлению нагружения при эксплуатации; - обработку зуба по всей длине рабочей зоны периметра; - возможность регулирования режимов обработки.
В соответствии с указанными требованиями сконструирована экспериментальная установка для восстановления грабельных зубьев электромеханической обработкой, которая состоит из приспособления и машины для шовной сварки МШ-20, используемой в качестве источника тока.
В соответствии с формулировкой цели исследования за параметры оптимизации приняты: - потенциальная энергия, возникающая в зубе при деформации свободного конца нагрузкой; - величина смещения свободного конца зуба в свободном состоянии.
Выбранные параметры оптимизации являются количественными, задаются числом. Их измерение возможно при любой комбинации режимов ЭМО. Области определения параметров оптимизации непрерывные и ограниченные. Оба параметра оптимизации выражаются одним числом и являются однозначными. Они действительно оценивают функционирование всей системы в соответствии формулировкой цели исследования и имеют физический смысл [88,89].
Под факторами понимают переменную величину, принимающую в некоторый момент времени определенное значение - в данном случае существенными факторами являются: Х\-1 т- сила тока ЭМО, А; Х2 - N - усилие прижатия роликов, Н; Х3 —3— скорость движения роликов по поверхности зуба, м/сек.
Выбранные существенные факторы — управляемые, операционные, совместимые. На основе априорной информации, предварительных экспериментов и расчетов установлено: - область определения силы тока в интервале 500-3000А; - область определения силы прижатия роликов 400-1000Н; - область определения величины скорости обкатки зуба 0,002-0,008м/сек. При выборе интервалов варьирования факторов учтены: 1. Точность фиксирования значений факторов. 2. Информация о кривизне поверхности отклика. 3. Информация о диапазоне изменения параметра оптимизации. Параллельные опыты необходимы для исключения грубых наблюдений и оценки дисперсий воспроизводимости. Известно [88], что если не проводить параллельные опыты, то возможное неверное установление параметра оптимизации хотя бы в одном опыте изменит оценки всех коэффициентов регрессии. Поэтому на основе информации, полученной при проведении предварительных опытов, выбрано число параллельных опытов, равное 5. Для исключения влияния систематических ошибок, вызванных внешними условиями, последовательность проведения опытов выбиралась по таблице случайных чисел [90,91].
Выбор рекомендуемого режима восстановления проводился путем графического решения системы уравнений, полученных после проведения исследований согласно методике, изложенной в п. 3.3. Внутри совместной факторной области рациональных режимов восстановления выбиралась точка по возможности равноудаленная от граничных поверхностей. Режим восстановления, соответствующей этой точке, обеспечивает восстановление рабочих параметров пружинных зубьев согласно техническим требованиям и является рекомендуемым.
Пружинные стали 60С2, используемые в качестве материала грабельных зубьев, хорошо работают при статической и циклической нагрузке. Упрочнение таких сталей достигается путем пластической деформации и дисперсионного твердения при охлаждении. При этом эффективность упрочнения и весь комплекс физико-механических свойств грабельных зубьев во многом зависит от режимов термомеханической обработки, проводимой при восстановлении и от получаемой структуры материала.
С целью определения влияния режимов восстановления на микроструктурные составляющие материала грабельных зубьев проведено металлографическое исследование [92-93].
Для оценки структуры микрошлифы изготавливались из новых зубьев и зубьев, восстановленных на исследуемых режимах.
Образцы длиной 0,015 м вырезались из зубьев на электроэррозионном станке, устанавливались в стальные трубочки диаметром 0,03 м и заливались эпоксидной смолой. Образцы шлифовались последовательно на шлифовальной бумаге номеров 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3 и на микронной бумаге М40,
M28, M14. Шлифы поворачивали на 90 при переходе с одного номера бумаги на другой до уничтожения видимых простым глазом царапин. Окончательно шлифы полировались абразивным порошком - оксидом хрома. Для выявления структур шлифы травились в растворе смеси этилового спирта и азотной кислоты. Осмотр и фотографирование шлифов проводились на микроскопе МИМ-7 при увеличении в 100 и 500 раз. Микротвердость образцов определялась на приборе ПМТ-3 при нагрузке 2Н. [94-96]
Результаты экспериментального исследования влияния режимов восстановления на рабочие параметры пружинных зубьев
Факторная область (рис.4.4) представляет множество значений рациональных режимов ЭМО, обеспечивающих смещение свободного конца пружинного зуба в допустимых пределах. Верхняя плоскость факторной области определяет рациональные режимы, обеспечивающие смещение свободного конца зуба до 5-10" м. Нижняя плоскость определяет рациональные режимы, обеспечивающие нулевое смещение свободного конца зуба. Боковые плоскость факторной области определяют условия проведения эксперимента.
Рекомендуемым режимом разработанного способа является совокупность значений силы тока Ij, усилия прижатия роликов N, величины скорости перемещения роликов 9, которая обеспечит потенциальную энергию и смещение свободного конца зуба в пределах, назначенных техническими требованиями. Определение рационального режима электромеханической обработки потребовало решения системы уравнений (4.35,4.42). Графическое решение этой системы представлено на рисунке 4.5 и определяет границы факторной области множества значений рациональных режимов.
Рекомендуемым режимом восстановления является совокупность значений силы тока IT , силы давления ролика JV, скорость движения деформирующих роликов 9, которая обеспечивает потенциальную энергию и положение свободного конца восстановленного зуба на уровне новых.
Для определения рационального режима необходимо решить систему уравнений полученных в п.п.4.2.1; 4.2.2. W = 14,23 + 0,0018/г -0,0097V-29 + 0,0000043 + 0,000128/ ,9 + 0.00126М9-0,0000003/r N,9 / = -48,1 + 0,03/г + 0,0 Ш +16,7,9 - 0,00005/riV - 0,025iV,9 + 0,0000 l/rJV, Факторная область (рис.4.5) определяется множеством значений рациональных режимов, обеспечивающих потенциальную энергию и смещение свободного конца зуба в пределах, заданных техническими условиями, за исключением зоны возникновения электроэрозии. Для разработки технологического процесса из множества значений внутри этой факторной области выбрана точка по возможности равноудаленная от её границ с координатами IT = 3400А; N= 560 Н; 9 = 2,9-10"3м/с. Этот режим принят за рекомендуемый, т.к. он обеспечивает рабочие параметры зуба в пределах технических требований с учетом минимальной зоны термического влияния и отсутствия следов электроэррозии.
Микроструктурное исследование проводилось по методике, изложенной в п.3.5. Шлифы изготавливались из грабельных зубьев, восстановленных на рекомендуемом режиме. 1Т =3400 A, 7V=560 Н, ,9=2,9-10"3м/сек. Материал зубьев граблей сталь 60С2.
2. Поверхностный слой зуба глубиной до 5-10"4м представляет собой мелкодисперсный бесструктурный мартенсит «светлый слой» - результат пластического деформирования металла в состоянии высокотемпературного нагрева. Микротвердость светлого слоя достигает 6IHV (рис.4.7, 4.8).
4. Микроструктура нового зуба равномерная по всему сечению - сорбит отпуска твердостью 43HV.
Таким образом, восстановление на рекомендуемом режиме создает на поверхности зуба, в зоне максимальных рабочих напряжений, структуру мелкодисперсного бесструктурного мартенсита. Наличие такой структуры на поверхности восстановленного зуба снижает тенденцию развития усталостных микро трещин, а также замедляет развитие сдвигов и диффузионных процессов релаксации напряжений [64-71].
Известно, что сжимающие остаточные напряжения способствуют повышению усталостной прочности деталей [74-78]. Поэтому одним из важнейших этапов исследования явились качественная и количественная оценка характера распределения остаточных напряжений по сечению прутка зуба граблей. При рентгенографическом анализе исследовались грабельные зубья новые и восстановленные на оптимальном режиме. Результаты исследования остаточных напряжений по сечению прутка грабельного зуба представлены на рисунке 4.10.
Из анализа графика следует, что напряженное состояние нового зуба (кривая 1) характеризуется растягивающими напряжениями на поверхности прутка зуба составляющими 200МПа.
Пластическое деформирование, закалка и отпуск в процессе ЭМО вызывают процесс перехода растягивающих напряжений на поверхности прутка пружинного зуба в сжимающие - 160МПА.
Из вышеизложенного следует, что распределение остаточных напряжений в восстановленном зубе более благоприятно с точки зрения усталостной прочности. Выбранный рекомендуемый режим не вызывает растягивающих остаточных напряжений на поверхности грабельных зубьев, что придает им более высокие физико-механические свойства по сравнению с новыми.
