Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и задачи исследования 12
1.1 Конструктивно-технологические особенности изнашиваемых деталей сельскохозяйственной техники 12
1.2 Обзор существующих способов восстановления деталей машин 15
1.2.1 Интенсификация электродуговых способов при восстановлении деталей сельскохозяйственной техники 25
1.2.2 Высокопроизводительные способы электродуговой сварки и наплавки 30
1.3 Способы поверхностного упрочнения деталей машин 38
1.4 Контроль технического состояния деталей машин при ремонте и изготовлении 45
1.4.1 Факторы, влияющие на предел выносливости деталей машин. 45
1.4.2 Количественная оценка уровня накопленных повреждений 49
1.5 Проблемная ситуация, цель и задачи исследования 53
2 Термодинамическая модель по определению температурного поля при наплавке, термической и механической обработке деталей типа тел вращения 56
2.1 Постановка задачи 56
2.2 Дифференциальное уравнение теплопроводности и методы его решения 61
2.3 Устойчивые явные схемы для уравнения теплопроводности 68
2.4 Определение температурного поля при обработке деталей типа тел вращения 78
2.4.1 Термодинамическая модель расчета температурных полей в цилиндре при действии поверхностных тепловых источников 78
2.4.2 Исходные данные и методика обоснования численных значений входных параметров задачи 81
2.4.3 Определение геометрических размеров активного пятна дуги. 84
2.4.4 Методика обоснования количества элементарных участков по углу и по длине 86
2.5 Результаты вычислений 89
2.5.1 Расчет температуры при локальном нагреве и сравнение с аналитическим решением 89
2.5.2 Другие возможности предложенной модели расчета 92
2.5.3 Расчет температурного поля при переменной теплоотдаче 95
2.5.4 Экспериментальная проверка результатов вычислений по определению температуры нагрева 98
2.6 Выводы 103
3 Разработка высокоскоростного способа наплавки и упрочнения в защитных газах при восстановлении деталей с.-x. техники 105
3.1 Обоснование схемы ВАН и некоторых технологических режимов ее осуществления 105
3.1.1 Особенности формирования наплавленного слоя при высоких скоростях и разработанные схемы ВАН 106
3.1.2 Основные конструктивно-технологические параметры ВАН и их обоснование 123
3.1.3 Экспериментальная установка ВАН (описание и порядок работы) 127
3.2 Методические основы экспериментальных исследований 130
3.2.1 Общая методика 130
3.2.2 Методика определения усилия прижатия проволоки к поверхности детали 136
3.2.3 Методики определения качественных и количественных характеристик наплавленного слоя 137
3.3 Результаты экспериментальных исследований 160
3.3.1 Предварительные эксперименты и установление уровня варьирования конструктивно-технологических параметров описывающих процесс 160
3.3.2 Влияние входных параметров на основные показатели наплавленного слоя 165
3.3.3 Определение рациональных режимов наплавки 171
3.3.4 Установление рационального температурного режима ВАН 176
3.3.5 Качественные и количественные характеристики наплавленного слоя 180
3.4..Совершенствование способа поверхностного упрочнения деталей 201
3.4.1 Анализ способов ЭДЗ и обоснование схемы закалки 201
3.4.2 Результаты исследований по определению режимов закалки 205
3.4.3 Установление рационального температурного режима поверхностного упрочнения 209
3.4.4 Качественные и количественные характеристики закаленного слоя 215
3.5 Выводы 219
4 Разработка способа контроля уровня накопленных повреждений в материале валов с.-х. техники 220
4.1 Теоретические предпосылки разрабатываемого способа контроля изношенных и изготовляемых деталей машин типа вал 220
4.2 Обоснование диагностического параметра (ДП) и установление его допускаемого значения 229
4.3 Методика экспериментальной проверки разрабатываемого способа контроля 234
4.3.1 Общая методика 234
4.3.2 Описание лабораторной установки и методика измерения параметров свободных крутильных колебаний колебательной системы 236
4.3.3 Методика оценки влияния основных факторов на параметры ко лебаний 240
4.3.4 Установки и методика проведения усталостных испытаний 244
4.3.5 Методика выбора технологии обезвреживания трещин на шейках коленчатого вала 246
4.4 Результаты экспериментальных исследований 248
4.4.1 Выявление влияния основных конструктивно - технологических параметров и усталостных повреждений на частоту и время затухания крутильных колебаний 248
4.4.2 Установление допускаемого значения ДП при проверке состояния валов (на примере коленчатого вала двигателя ЯМЗ-240) 252
4.4.3 Контроль состояния деталей машин после наплавки 263
4.4.4 Обезвреживание трещин на шатунных шейках коленчатого вала двигателя ЯМЗ - 240 264
4.5 Выводы 270
5 Технологические процессы восстановления, упрочнения, контроля и их технико-экономическая оценка 272
5.1 Технологический процесс восстановления и упрочнения деталей с.-х. техники в среде защитного газа 272
5.2 Технологический процесс контроля накопленных повреждений валов и обезвреживание трещин 276
5.3 Технико-экономическая оценка разработанных технологических процессов 278
Основные выводы 285
Список использованных источников 289
Приложения 317
- Обзор существующих способов восстановления деталей машин
- Экспериментальная проверка результатов вычислений по определению температуры нагрева
- Качественные и количественные характеристики наплавленного слоя
- Технико-экономическая оценка разработанных технологических процессов
Введение к работе
Актуальность темы. Восстановление деталей является технически обоснованным и экономически оправданным процессом прежде всего в связи с возможностью повторного и неоднократного использования 60...75 % изношенных деталей. Себестоимость восстановления изношенных ремонтопригодных деталей не превышает 30.50% цены новых, а расход материалов в 25...45 раз ниже, чем на их изготовление.
Большинство разработанных к настоящему времени электродуговых способов восстановления деталей малопроизводительны из-за невысокий скорости процесса, неоправданно велики удельные тепло-
вложения, достигающие 110010 Дж/м , вследствие чего происходит значительное термическое влияние на деталь. В связи с этим требуется совершенствование методов расчета температурных полей на этапе прогнозирования технологических режимов, так как используемые аналитические методы не учитывают нелинейный характер теплоотдачи в окружающую среду, которая в промежутке температур 50...1500С возрастает в 30.50 раз.
Повышение точности тепловых расчетов процесса наплавки и закалки, разработка принципиально новых и совершенствование ресурсосберегающих технологических способов нанесения покрытий, поверхностной закалки электрической дугой и контроля, направленные на комплексное обеспечение требуемого качества, в совокупности составляют научную проблему.
Решению этой проблемы посвящена настоящая диссертационная работа, в которой предложены термодинамическая модель расчета температурного поля в детали, учитывающая нелинейный характер теплоотдачи в окружающую среду в процессе восстановления, разработаны способы и средства для высокоскоростной аргоно-дуговой наплавки (ВАН), поверхностной электродуговой закалки (ЭДЗ), контроля усталостных повреждений в деталях машин сельскохозяйственной техники и определены рациональные режимы процессов.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг. по проблеме 09 РАСХН раздела 03 «Разработать типовые проекты оптимального построения и функционирования предприятий инженерно-технической инфраструктуры сельского хозяйства, технологии эффективного использования, повышения надежности и работоспособности машин и оборудования в отрасли», а также согласно концепции развития аграрной науки и научного обеспечения АПК РФ на период до 2025 г.
Целью работы являются научное обоснование и экспериментальная разработка технологий и технических средств, комплексно обеспечивающих требуемое качество восстановления деталей с малыми износами на основе применения высокопроизводительных ар- гоно-дуговых способов нанесения покрытий, ЭДЗ и последующего контроля состоянии.
Объект исследования - технологические процессы восстановления изношенных деталей, их термической обработки и контроля накопленных в деталях сельскохозяйственной техники повреждений.
Предмет исследования - взаимосвязи и закономерности между технологическими параметрами процессов ВАН, ЭДЗ и основными количественными показателями качества нанесенного и закаленного слоя, а также между повреждениями и параметрами свободных крутильных колебаний.
Методы исследования - при проведении исследований использовались методы математического моделирования, распознавания, статистики, функционального анализа, теории вероятностей, лабораторные, экспериментальные, а также патентные исследования.
В основу работы принята следующая концепция - разработка ресурсосберегающих технологий и технических средств восстановления изношенных деталей с.-х. техники на основе нового подхода формирования металлических покрытий электродуговым способом без образования сварочной ванны в классическом виде, что позволит минимизировать термического влияния на деталь.
Основная научная гипотеза - нанесение металлических покрытий на изношенные до 0,1.. .0,3 мм поверхности деталей возможно при создании необходимых тепловых условий и соответствующем механизме взаимодействия присадочной проволоки с поверхностью детали.
Накопление усталостных повреждений возможно контролировать на основе измерения параметров свободных крутильных колебаний.
Содержание научной проблемы и выдвинутой гипотезы предопределили необходимость решения следующих задач исследования:
1. Разработать термодинамическую модель расчета температурного поля для деталей типа тел вращения в процессе наплавки, ЭДЗ и механической обработки при действии поверхностных тепловых источников с учетом нелинейного характера тепловых потерь во внешнюю среду, что позволит прогнозировать технологические режимы и конструктивные параметры технических средств.
-
Разработать новый способ и технические средства высокоскоростной аргоно-дуговой наплавки и экспериментально доказать возможность получения тонких качественных слоев, установить зависимости между основными технологическими параметрами процесса наплавки и основными показателями нанесенного покрытия.
-
Совершенствовать технические средства электродуговой закалки без принудительного охлаждения с учетом требований ремонтного производства.
-
Установить зависимости влияния основных конструктивно- технологических факторов и усталостных повреждений валов на структурно-чувствительные физико-механические свойства материала деталей, какими являются параметры свободно затухающих крутильных колебаний, разработать способ, технические средства и обосновать нормативные значения диагностического параметра при контроле уровня накопленных повреждений проверяемых валов.
-
Разработать технологический процесс нанесения покрытий, поверхностной закалки электрической дугой и контроля и дать экономическую и энергетическую оценку полученных результатов.
Научная новизна основных положений, выносимых на защиту
Разработана термодинамическая модель, описывающая распространение тепла при наплавке и поверхностной закалке деталей типа тел вращения от действия внешних тепловых источников, оценивающая температурное поле во времени в детали, характеризующаяся тем, что в отличие от известных методов, учитывает нелинейный характер теплоотдачи в окружающую среду, которая в промежутке температур 50... 1500оС возрастает в 30.. .50 раз.
Впервые предложена для тепловых расчетов процесса наплавки и закалки абсолютно устойчивая явная дифференциально-разностная схема для численного метода расчета, обеспечивающая хорошую сходимость с аналитическими решениями с погрешностью не более 3%.
Обоснованы условия формирования качественного тонкого нанесенного слоя до 0,3 мм обеспечивающего ресурсосбережение при увеличении линейных скоростей процесса в 10 раз и более, доказана возможность поверхностной закалки детали электрической дугой при скорости 500.. .5500 мм/с.
Обоснован наиболее чувствительный параметр, характеризующий накопленные усталостные повреждения в деталях машин - скорость затухания свободных крутильных колебаний, который принят в качестве диагностического параметра. Установлена тесная корреляционная зависимость между пределом выносливости и временем затухания свободных крутильных колебаний. На основе использования теории ошибок первого и второго рода определено нормативное значение диагностического параметра, при котором обеспечивается требуемый уровень надежности контролируемых и восстановленных деталей по характеристикам усталостной прочности. Разработаны способ и средства контроля повреждений (а.с. 1810789, патенты: 2337348, 78572, 80012).
Термодинамическая модель позволяет на стадии проектирования и отладки технологического процесса рассчитывать изменение температуры нагрева и охлаждения в зависимости от времени, технических, теплофизических свойств материала, источника тепла, а также от технологических параметров процесса и определять конструктивные параметры технических средств с использованием разработанных пакетов программ «Тепло 4.0» (№ 9776, ФГНУ ГКЦИ) и «Тепло 5.0» (№ 2008612210, РОСПАТЕНТ).
Обоснованы технологические параметры нового способа арго- но-дуговой наплавки. Разработаны требования на технические средства его осуществления, обеспечивающие следующие рациональные показатели способа: толщина слоя 0,1.0,310- м, глубина термиче-
ского влияния 0,1.0,310- м, скорость наплавки более 200 10- м/с,
удельная энергия наплавки не более 200-10 Дж/м , производитель-
ность 20.30 10- м/с, припуск на механическую обработку 0,10.0,1510-3м (а.с.1827927, патенты: 2211123, 2215624, 2266180, 2356708, 2380205, 39850), а также технологические режимы способа поверхностной электродуговой закалки без принудительного охлаждения нагреваемой поверхности (патент 2431684).
Получены новые экспериментальные данные, отражающие качественные, энергетические и технико-экономические показатели использования способов и средств при восстановлении деталей машин.
Практическую ценность полученных результатов исследования представляют:
математический аппарат и пакет программ для расчета температурных полей и управления тепловыми условиями;
способы и средства ВАН и ЭДЗ, обеспечивающие показатели наплавленного и закаленного слоя в соответствии с предъявленными требованиями;
технологические рекомендации для восстановления и поверхностной закалки изношенных деталей в условиях ремонтного производства «Способы и средства повышения эффективности восстановления деталей с.-х. техники»;
технические требования и чертежи для изготовления технологической оснастки, используемой при ВАН и ЭДЗ;
показатели технологического процесса, рациональные технологические режимы, гарантирующие заданные качественные и количественные показатели покрытий и термообработки;
способ и технические средства неразрушающего контроля на основе измерения скорости затухания свободных крутильных колебаний, предназначенные для применения в производственных условиях.
Материалы работы отражены в учебном пособии для студентов вузов (2001 г., 2003 г.), допущенном Министерством сельского хозяйства Российской Федерации по специальности 314900 «Технология обслуживания и ремонта машин в агропромышленном комплексе».
Материалы теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе на факультете «Технический сервис в АПК» ЧГАА и механо-математическом факультете ЮжноУральского государственного университета, а также при выполнении дипломных и научно-исследовательских работ.
Результаты работы доложены и одобрены на совместном заседании кафедры ТОТС ЧГАУ, Челябинского сектора № 18 ГОСНИТИ и секции 7 Международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» (протокол №1 от 30 января 2009 г.).
Практическая значимость основных результатов диссертационной работы подтверждена соответствующими актами внедрения. Разработки по теме диссертации демонстрировались на ЮжноУральском инновационном форуме (Челябинск, 2008, 2010 гг.), награждены дипломом и грамотой. На 9-й Всероссийской специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения» (Москва, 2008 г.) работа «Высокоскоростные способы наплавки и упрочнения восстанавливаемых и изготавливаемых деталей машин в защитных газах» награждена дипломом и медалью.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях по восстановлению деталей машин (г. Рига, 1987 г., г. г. Пятигорск, 1988 г., Ташкент, 1991 г., г. Кустанай, 1991 г.); научно- техническом семинаре «Работы в области восстановления и упрочнения деталей» (г. Москва, МДНТП, ВНПО "Ремдеталь", 1991 г.); научно-практической конференции «Состояние и перспективы восстановления, упрочнения и изготовления деталей» (г. Москва, ВНИИТУ- ВИД «Ремдеталь», 1999 г.); научно-технической конференции «Новые методы ремонта и восстановления деталей сельскохозяйственных машин» (г. Саранск, 2001 г.); 8-й международной универсальной выставке-ярмарке «Агро-2001» (г. Челябинск, 2001 г.); научно- технической конференции сварщиков Уральского региона «Сварка Урала - 2002» (г. Курган, 2002 г.), «Сварка и контроль - 2005» (г. Челябинск, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» (г. Челябинск, 2005, 2006 гг.); девятом Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Кисловодск, 2008 г.); международной конференции «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (г. Москва, 2008 г.); 11-й международной специализированной выставке «Оборудование, приборы и инструменты для металлообрабатывающей промышленности», на семинаре-конференции «Российское технологическое оборудование для обслуживания и ремонта сельскохозяйственной техники» (г. Москва, «Экспоцентр» 2010 г.); научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Челябинской государственной агроинженерной академии (1984-2011 гг.)
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 73 научные работы, в том числе описания изобретений к 2 авторским свидетельствам, 11 патентам, 2 зарегистрированные программы для ЭВМ, 16 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников, включающего в себя 323 наименования, 23 приложений; работа изложена на 316 страницах основного текста, содержит 112 рисунков, 84 таблицы.
Обзор существующих способов восстановления деталей машин
Износы поверхностей, повреждения и другие дефекты деталей, возникающие в процессе эксплуатации машин, устраняются при их восстановлении. В зависимости от вида дефектов, величины износа, материала изношенной детали и других факторов применяют различные способы восстановления. К настоящему времени разработано более 40 основных способов восстановления деталей, а с учетом производных от них общее количество способов превышает 200 [10, 14, 16]. Ведущими организациями России и СНГ разработано соответствующее оборудование и оснастка для восстановления и упрочнения деталей, выпускается такое оборудование и оснастка предприятиями системы Росагропрома [15, 17...21].
Из рисунка 1.4 видно, что при восстановлении деталей с износом 2 мм и более наиболее рациональным способом является автоматическая наплавка под слоем флюса. Однако при меньших значениях износа многие способы восстановления конкурируют между собой по минимальной стоимости. В таких случаях предпочтение получает тот способ, у которого качественные и количественные показатели нанесенного слоя наилучшие.
Кроме способов восстановления, рассмотренных в [23], имеются и другие способы восстановления деталей машин. Учитывая рекомендации по выбору оптимального способа восстановления [15,24...26] при малых значениях износа (до 0,3 мм) и с учетом стоимости восстановления изношенных поверхностей [23] отобранные основные способы приведены ниже: 1 - вибродуговая наплавка, 2 - наплавка в среде С02; 3 - контактная приварка металлического слоя (лента, проволока, порошок); 4 -газо-электротермические способы нанесения слоя (металлизация, напыление, наплавка); 5 - электроискровое и электроимпульсное наращивание; 6 - электромеханическая обработка; 7 - гальваническое наращивание (хромирование, железнение). При их отборе учитывались следующие показатели, характеризующие способ: толщина покрытия, прочность сцепления слоя с основой детали, твердость покрытия, глубина термического влияния, припуск на механическую обработку, усталостная выносливость, скорость и производительность процесса восстановления, удельная энергия при нанесении покрытия. Их численные значения приведены в приложение АЛЛ., а обобщенные показатели в таблице 1.4.
Проведем анализ выше названных способов нанесения покрытия.
Вибродуговая наплавка, разработанная в ЧИМЭСХ в 1950... 1952 гг. Клековкиным Г.П. и Ульманом И.Е. [27] получила широкое распространение в ремонтном производстве. В основу этого способа положены метод контактной сварки металлов электрической дугой. При этом к поверхности наплавляемой детали подают электродную проволоку с частотой 50... 100 Гц и амплитудой колебаний 1...3 мм [27...30].
Низкое напряжение 18...22 В [31], при котором идет процесс, и его прерывистый характер позволяют вести наплавку при малой глубине проплавлення (0,2...0,4 мм). При этом деформация деталей в 10...12 раз меньше, чем при обычной наплавке [27, 32]. При наплавке в среде жидкости происходит закалка наплавленного слоя, а нагрев детали не превышает 100С [10, 26, 29]. Вышеперечисленные преимущества способа позволяют наплавлять детали малого диаметра (от 8 мм), не опасаясь их прожога и коробления [32], при необходимости проводят многослойную наплавку. Однако неоднородность структуры, связанная с термическим воздействием последующих валиков на предыдущие, приводит к получению покрытий с неравномерной твердостью, возникновению больших растягивающих напряжений и появлению в связи с этим микротрещин. Все это в комплексе снижает усталостную прочность восстанавливаемых деталей. Выше перечисленные показатели вибродуговой наплавки указанные в [10, 11, 14, 22, 25, 27, 30...34], приведены в таблице 1.4 и в приложении АЛЛ.
Недостатками вибродуговой наплавки являются: достаточно большой припуск на механическую обработку - 0,45... 1,2 мм. [11, 30, 34]; значительное снижение усталостной прочности деталей машин - на 40...70 % [11, 14, 32]; неравномерная твердость наплавленной поверхности; разброс твердости превышает 50% [28]; большие потери электродного металла - до 20% [10, 32, 36]; неоднородность микроструктуры металла. В связи с вышеуказанными недостат ками вибродуговой наплавкой восстанавливаются детали, не подвергающиеся большим переменным нагрузкам.
Сущность электро-дуговой наплавки в среде углекислого газа заключается в том, что в зону горения дуги между деталью и электродом непрерывно под давлением подается углекислый газ, благодаря которому столб дуги, а также сварочная ванна изолируются от кислорода и азота воздуха. Процесс проводят на постоянном токе обратной полярности, при этом плотность тока 80... 100 А/мм2, а напряжение на дуге 17...24 В [10, 31, 37, 38].
Особенностями дуговой наплавки в среде углекислого газа является хорошее использование тепла сварочной дуги; к.п.д. дуги доходит до 72% [39, с.56], высокая степень концентрации дуги обеспечивает небольшую зону структурных изменений, а также сравнительно высокую производительность процесса, в частности, в сравнении с вибродуговой наплавкой; возможность наблюдения за дугой и сварочной ванной; широкую возможность механизации и автоматизации.
Все это вместе взятое позволяет рассматриваемому процессу восстановления занимать одно из ведущих мест среди электродуговых способов наплавки. Количественные значения показателей, полученные при рассмотрении следующих литературных источников [10, 11, 22, 25, 31, 37, 38, 40, 42], приведены в таблице 1.4 и в приложении А. 1.1.
К недостаткам способа относятся: ограниченность легирования наплавленного металла [29, 31]; сравнительно большое разбрызгивание 12...15 % [11, 25, 37, 40]; снижение усталостной прочности восстановленной детали достигает 50% [37,38,40]; значительный припуск на механическую обработку 0,8...1,3 мм [11, 25, 40].
Основой всех газотермических способов нанесения слоя на поверхность изношенных или новых деталей (электродуговая металлизация, газопламенное напыление и наплавка, плазменное напыление и наплавка) является формирование слоя из нагретого до жидкотекучего или вязкотекучего состояния материала скоростной газовой струей. Параметры движения и нагрева характеризу ют вид процесса. Тепловая и кинетическая энергия, приобретенная частицами, играют большую роль в формировании качественного слоя. В газопламенных процессах скорость движения частиц наносимого материала 10...80 м/с, температура пламени 2500...2850С [50]. В плазменных процессах скорость движения наносимого материала 100...300 м/с, температура пламени 4000...20000С [25, 51]. Наносимый материал может использоваться в виде проволоки, порошков. Аппараты, установки, использующие наносимый материал в виде проволоки, обычно называют металлизаторами, а когда материал используется в виде порошка - установками напыления. В связи с этим сохраняются и наименования процессов: металлизация и напыление [52]. Основные показатели электродуговой и газовой металлизации, полученные из литературных источников [10, 20, 22, 25, 50, 53], приведены в таблице 1.4 и в приложении АЛЛ.
При газопламенном и плазменном напылении физико-химические свойства нанесенного покрытия аналогичны свойствам покрытия, полученного металлизацией. Однако твердость при напылении достигает 60 HRC (в зависимости от вида порошка) [10, 54], производительность процесса по площади и по массе нанесенного слоя в 2..3 раза меньше, чем при металлизации. Количественные значения показателей рассматриваемого способа по данным источников [7, 20, 22, 25, 35, 51, 52] приведены в таблице 1.4 и в приложении АЛЛ.
К преимуществам способа относятся: высокая производительность процесса нанесения покрытия (по площади и по массе); возможность получения покрытий толщиной от нескольких сотых долей мм до нескольких мм; высокая износостойкость слоя; возможность применения разных проволок и порошков; отсутствие деформаций деталей; возможность нанесения слоя на любые материалы независимо от химического состава; возможность получения антикоррозионных и термостойких покрытий.
Недостатком способа является невысокий коэффициент использования и значительный процент выгорания присадочных материалов [31], низкая прочность сцепления, высокая пористость получаемого слоя, наличие дополнительных операций в технологическом процессе: подготовка детали, ее очистка по еле нанесения покрытия, пропитка покрытия маслом [50]. Способ не применим для восстановления деталей, испытывающих при работе высокие удельные и переменные нагрузки.
Экспериментальная проверка результатов вычислений по определению температуры нагрева
Необходимость таких экспериментальных измерений температурных полей диктуется, с одной стороны, новизной предложенного метода расчета и исследуемых технологических процессов, с другой стороны, для выявления сходимости расчетных (численных) и экспериментальных кривых изменения температур в интересующем нас температурном интервале при соответствующих задачах по их определению, а также необходимостью установления рациональных режимов наплавки и термообработки.
На основе анализа преимуществ и недостатков измерения температуры вращающихся деталей машин [67, 182, 183], в литературе [182] приведены рекомендации по измерению температуры в зависимости от скорости вращения, значения которых достигают 85000 об/мин, а линейная скорость на периферии -150 м/сек. Учитывая скорость вращения и линейные скорости рассматриваемых процессов, в данной работе использован метод контактного электрического измерения посредством ртутного токосъемника с использованием термопары. Установку по этому методу измерения иногда называют термоэлектрическим термометром [183, с.107]. Такая установка отличается от установки для измерения размеров активного пятна дуги тем, что образец - другой, остальные основные механизмы установки, измерение и порядок проведения измерений похоже как описано выше (см. п.2.4.4). Образец отличается тем, что вместо дополнительных (измерительных) электродов расположены (приварены) термопары в местах измерения температуры.
С учетом рекомендаций [182, 183] и предполагаемых пределов измеряемых температур использована хромель-алюмелевая термопара, которая имеет максимально допустимую температуру измерения 1350С. Диаметр проволоки 0,15 мм (рекомендуемый диаметр 0,1...0,5 мм [67, 182]), длина - 750 мм (с учетом рекомендаций [67, с.30]). Основные данные применяемой термопары приведены в таблице 2.22.
Следует учесть, что, с одной стороны, в данной работе не требуется высокая точность измерения температуры, а с другой стороны, имеются рекомендации по использованию табличных значений э.д.с. при увеличении температуры, которые приводятся в технической литературе [183, сгрП 1, таб. 19].
Подготовка и приварка термопары к образцу проводится в следующей последовательности. Места приварки термопары к образцу после разметки тщательно зачищались от грязи и окислов. Концы термопар на длине 2...3 мм скручивались и скрученная часть опускалась в графитовый порошок. Потом с помощью конденсаторной батареи (рисунок 2.17) концы сваривались между собой, при этом диаметр спая не превышал 0,8... 1мм. После этого сферический спай подводился к месту разметки и прижимался с помощью медного электрода диаметром 2 мм к образцу. Затем конденсаторная установка вклю мгновенная, а при рациональных режимах - качественная приварка термопары. Контроль качества контакта проводился проверкой их на разрыв, при хорошем контакте отрывался не спай, а сами проволочки. Для изоляции и защиты термопар от повреждений проволочки прокладывали в двухканальные фарфоровые и гибкие термостойкие трубки.
Подготовленное устройство для замера температуры показано на рисунке 2.18. Используемый ртутно-амальгамированный концевой токосъемник ТРАК-4М рассчитан для передачи электрического сигнала с термопар напряжением до 12 В и имеет следующие данные: 1) диапазон частоты вращения 0...5000об/мин; 2) изменение переходного сопротивления двух пар колец не бо лее 0,01 Ом; 3) условия эксплуатации +50...-30С; 4) сопротивление изоляции - не менее 500 МОм.
При использовании многофункционального измерительного комплекса MIC 400D применен модуль МС-114, который представляет собой 16-ти канальный усилитель - преобразователь сигналов датчиков с групповой гальванической развязкой и дифференциальными входами.
Модуль имеет 6 аппаратно устанавливаемых единых для всех каналов модуля диапазонов входного сигнала и 5 программно переключаемых коэффициентов усиления индивидуально по каждому каналу для каждого диапазона. При работе с термопарами предусмотрена сигнализация обрыва термопары. Для измерения температуры холодного спая термопар на модуле установлен датчик температуры AD592.
Для экспериментальной проверки приняты, как выше указано, линейные скорости 10, 40, 60, 80, и 100 см/с, при этом предварительно проведены дополнительные численные расчеты при разных значениях теплоотдачи, с учетом полученных экспериментальных значений температуры, с целью установления значения теплоотдачи и сравнения их для конкретной линейной скорости. Расчетные (численные) и экспериментальные (определенные с 3-х кратной по-вторностью) значения температуры нагрева при линейной скорости 10 см/с и 40 см/сек., приведены в таблице 2.23, а графики на рисунке 2.19.
Полученные расчетные данные по определению температуры и экспериментальные значения температуры нагрева при линейной скорости 10 см/с и 40 см/с, приведены в таблице 2.24. По данным таблицы 2.23 и 2.24 и рисунка 2.19, было установлено значения коэффициента теплоотдачи, что при линейной скорости 10см/с соответствуют 1,2-а, а при линейной скорости 40 см/с - 1,8-а. При такой теплоотдаче отклонения экспериментальных данных от расчетных достигают 20... 24С (5... 7%).
Качественные и количественные характеристики наплавленного слоя
С учетом разработанной схемы (см. рис. 3.9а), с учетом требований к способу (патент RU 2356708), устройству для подачи вращающейся наплавочной проволоки (патент RU 2266180), наплавочному мундштуку (патент RU 2380205) и результатов проведенных работ изготовлена опытно производственная установка (см. рис. 3.96) в лаборатории кафедры ТОТС ЧГАА. На этой установке с использованием рациональных режимов: ток дуги 475 А, напряжение дуги 12 В, продольная подача проволоки (шаг наплавки) 1,25 мм/об, скорость наплавки 0,36 м/с, (остальные параметры приведены в таблице 3.9) с предварительным подогревом поверхности образцов и деталей. Проведена наплавка по наружной цилиндрической поверхности, которые приведены (рисунок 3.30).
Образцы для наплавки представляют собой пробу из круглого проката стали 45 по ГОСТ 1050-88 диаметром 40 мм без термической обработки, наплавочный материал - проволока Нп65Г по ГОСТ 10543-98 диаметром 2 мм.
Высоты неровностей профиля RZII толщина наплавленного слоя.
Высота неровностей профиля Rz измерялось в 4х взаимоперпендикулярных положениях по длине наплавленной поверхности и результаты замеров показаны на рисунке 3.31. Значения Rz для наплавленных образцов лежат в пределах Rz = 0,056...0,144 мм при среднем значении Rz = 0,096 мм (ст=0,038), а толщина слоя составила h = 0,32...0,46 мм (рисунок 3.32) Ю W 0 fe 30 If Рисунок 3.31- Высота неровностей профиля Rz в четырех точках
Из анализа неровностей профиля и изучения подготовленных шлифов вдоль оси наплавки вытекает, что в начальных валиках наплавленного слоя высота неровностей имеет максимальное значение (что характерно для многих способов наплавки), далее эта высота стабилизируется, при этом снижение высоты составляет до 7... 9%.
Анализ дефектности (сплошности) нанесенного покрытия по глубине показал, что в основном они в виде микропор (рисунок 3.33), имеют сложную форму
Проведенный анализ показывает: сплошность в виде мелких пор, которые расположены равномерно как по окружности наплавки, так и вдоль оси детали, а также по глубине слоя. Численное значение рассматриваемого показателя не превышает 3...4% и наблюдается снижение этого показателя по глубине в 1,5... 2 раза.
Спектральный анализ нанесенного слоя. Результаты химического и спектрального анализа наплавленного слоя приведены на рисунке 3.36. Анализ проводился по следующим элементам: углероду, кремнию, марганцу, хрому и никелю.
В обследованных образцах содержание данных элементов по глубине покрытия остается практически постоянным и близким к составу присадочной проволоки. Изменение концентрации по глубине не превышает 0,04...0,06%. Незаметно также и выгорание элементов в слое, что подтверждает о хорошей защиты зоны наплавки и стабильной подаче присадочной проволоки.
Значительный скачок концентрации всех элементов наблюдается на границе наплавленного слоя и основного металла, что связано с исходным состоянием химического состава материала проволоки и детали (таблицы 3.10 и 3.11).
Из этого следует, что переход легирующих элементов из наплавленного слоя в основу детали не наблюдается, а также не наблюдается разбавление наплавленного металла металлом основы детали. Подобное возможно лишь в том случае, когда в процессе наплавки поверхность детали не находится в жидком состоянии, что подтверждает сделанное ранее предположение о возможности наплавки на высоких скоростях без образования общей сварочной ванны на поверхности детали.
Равномерность высоты неровностей, оплошностей, химического состава по глубине наплавки объясняется стабильностью температурных полей, работы проволокоподающего механизма и хорошей защитой аргоном зоны наплавки.
Твердость и микроструктура. Микроструктурный анализ слоя металла наплавленного с использованием присадочной проволоки Нп65Г, переходной зоны сплавления, зоны термического влияния и основного металла приведены в приложении В. 1.3. Структура основного металла всех образцов перлито-ферритовая, разнозернистая, игольчатая, характерна для горячекатаного состояния (рисунок 3.37).
Твердость металла замерялась на микротвердомере «METAVAL» и в переводе в единицы HV для основного металла составляла - HV = 208...218 ед. или19...20Н11С.
Поверхность детали основы, подвергавшаяся действию электрической дуги претерпевает структурные превращения, подвергается закалке, как и во всех сварочно-наплавочных процессах образовывается зона термического влияния (ЗТВ), ее микроструктура - перлито-ферртовая, мелкозернистая, разграниченная. Величина зерна соответствует 8-9 баллам ГОСТ 5639-82 (рисунок 3.38), а толщина достигает0,35...0,45мм, что на 10... 12% больше чем в требованиях.
Большой интерес представляет характеристики наплавленного слоя. Рациональные режимы наплавки для данных материалов обеспечивают получение слоя более высокой тведости: по длине слоя - HV = 551...545 ед. (сечение I); 501...492 ед. (сечение II); 455...446 ед. (сечение III); по толщине слоя - HV = 551... 446 ед. микроструктура имеет средне и крупноигольчатый мартенсит (приложение В.1.З.). С другой стороны, микротвердость наплавленного слоя около 2-2,5 раза выше твердости переходных зон и ЗТВ. Высокая твердость наплавленного слоя плавно снижается вглубь к основному металлу (таблица 3.12).
Высокая твердость наплавленного слоя объясняется повышенным содержанием легирующих элементов в металле наплавки (присадочной проволоки), таких как C,Mn, Si,Cr (по отношению к стали 45, таблица 3.10 и рисунок 3.36), обеспечивающих прокаливаемость слоя при наплавке на воздухе. Повышенную твердость поверхности наплавленного слоя по отношению к переходным зонам можно объяснить интенсивным отводом тепла не только вглубь детали, но и в окружающую среду, при данных скоростях вращения детали коэффициент теплоотдачи в окружающую среду в несколько раз больше чем при покое детали (см. таблицу 2.24), способствующую увеличению скорости охлаждения (кристаллизации).
Технико-экономическая оценка разработанных технологических процессов
Оценку технико-экономической эффективности разработанной технологии восстановления проводили в сравнении с родственными способами: наплавка в среде С02 , плазменная и вибродуговая наплавка (базовые варианты). При сравнении базовой и предлагаемой технологии в качестве восстанавливаемой детали принималась поверхность условного вала с диаметром шейки 40мм, (см.п. 1.1) и с площадью наплавки 1дм [23]
Расчет экономической эффективности предлагаемого способа проводился согласно методических указаний [276-280] в последовательности, изложенной в работе [280].
Согласно рекомендациям [280], годовой экономический эффект от НИОКР определяется с помощью процедур сравнения в пространстве и во времени, а годовая экономическая выгода может выражаться в увеличении дохода или снижении издержек. В рассматриваемом случае годовой экономический эффект определяется по первой группе методов (группа реального экономического эффекта) [280], а именно метод выигрыша в себестоимости на основе переменных затрат и выражается следующим образом: Э = АС-АН, (5.1) где АС — выигрыш в себестоимости на основе переменных затрат ( из расчета на ед. работ или услуг; Ан, - объем работ или услуг в натуральном выражении (годовой объем восстановления в м .). С учетом капитальных вложений в производственные фонды годовой экономический эффект от применения ВАН при восстановлении определялся по выражению [276,277,279]:
Затраты на технологическую электроэнергию (Сэт), непосредственно расходуемую в процессе наплавки за время То, подсчитывали по формуле: Сэт = 1-и-Т0-Цэ, (6.2) где I и U - соответственно, величина рабочего тока , А и напряжения, В; Т0 -основное время на выполнение наплавки, ч.;
Отчисления на амортизацию рассчитывались с учетом коэффициента загрузки оборудования на выполнение имеющегося объема ремонтно-восстановительных работ: Са = Б-а/100 Ан, (6.3) где Б - учитываемая балансовая стоимость оборудования, а - норма годовых амортизационных отчислений по каждому виду оборудования.
Аналогично амортизационным отчислениям определялись годовые затраты на текущий ремонт оборудования: Стр = Б-Р/100-А„, (6.4) где Р - процент отчислений на текущий ремонт оборудования, (4%).
Результаты расчета структурных составляющих себестоимости восстановления, рассчитанные по выражению 5.5, и др. показатели представлены в таблице 5.2., а технико-экономические показатели сравниваемых методов нанесения покрытий приведены в таблице 5.3.
