Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 8
1.1. Анализ причин выхода из строя деталей типа крестовин 8
1.2. Анализ способов восстановления деталей с поверхностями качения 22
1.3. Анализ технологических вариантов электроконтактной наварки проволокой и применяемое оборудование 30
1.4. Результаты испытаний образцов после ЭКНП на износостойкость в условиях трения качения 37
Глава 2. Исследование причин возникновения зон локального разупрочнения в слое наваренного металла 44
2.1. Исследование механизма образования зон локального разупрочнения 44
2.2. Разработка методики расчета электротепловой обстановки в зоне
электроконтактной наварки 56
2.3. Постановка краевой задачи 62
2.4. Расчет термического цикла в зоне наварки и анализ полученных результатов 78
2.5. Применение упрощённой модели для прогнозирования
характеристик твердости слоя наваренного металла 89
2.6. Выводы 100
Глава 3. Экспериментальное исследование влияния режимов наварки на параметры твердости слоя наваренного металла 101
3.1. Определение диапазонов варьирования основных факторов влияния на твердость поверхностного слоя 101
3.2. Разработка методики экспериментального исследования глубины зоны закалки в основном металле 110
3.3. Экспериментальное исследование влияния режимов наварки на глубину зоны закалки в основном металле 115
3.4. Разработка методики проведения эксперимента по влиянию режимов наварки на показатели твердости поверхностного слоя 125
3.5. Экспериментальное исследование по влиянию параметров режима ЭКНП на показатели твердости поверхностного слоя 134
3.6. Выводы 146
Глава 4. Исследование износостойкости слоев металла, наваренных ЭКНП, и разработка мероприятий по увеличению износостойкости 148
4.1. Разработка методики экспериментального исследования износостойкости наваренного металла после ЭКНП 148
4.2. Выбор способа упрочнения ППД поверхностей качения, восстановленных с применением ЭКНП 154
4.3. Исследование влияния обкатки роликом на характеристики поверхностных слоев, полученных с помощью ЭКНП 160
4.4. Сравнительное исследование износостойкости восстановленных с применением ЭКНП образцов в условиях трения качения 169
4.5. Выводы 178
Глава 5. Промышленное применение результатов исследований 179
5.1. Технологические рекомендации по восстановлению деталей
с поверхностями качения 179
5.2. Примеры деталей с поверхностями качения, восстанавливаемых электроконтактной наваркой проволокой 182
5.3. Расчет экономического эффекта 185
5.4. Выводы 187 Общие выводы 188 Список литературы 190 Приложение 205
- Анализ причин выхода из строя деталей типа крестовин
- Исследование механизма образования зон локального разупрочнения
- Определение диапазонов варьирования основных факторов влияния на твердость поверхностного слоя
Введение к работе
В настоящее время на машиностроительных предприятиях одной из наиболее важных задач является продление срока службы имеющейся техники, что, прежде всего, связано с выполнением работ по восстановлению деталей машин. При этом необходимо стремиться к повышению качества восстановления при одновременном снижении материальных и трудовых затрат. Решение данной задачи в значительной степени связано с внедрением в производство перспективных ресурсосберегающих технологий восстановления деталей машин. Особенно это важно при восстановлении деталей машин незначительных объемов, присущих единичному и мелкосерийному типам производства.
Одной из таких технологий является электроконтактная наварка проволокой (ЭКНП) оплавлением. В настоящее время наварка оплавлением внедрена на ряде предприятий, например, ОЛО "Калугапутьмаш", НПП "Велд", при восстановлении более 100 наименований деталей машин различного назначения: сельскохозяйственной техники, городского и железнодорожного транспорта, технологического оборудования и т.д., как для предприятий и организаций Калужской области, так и других регионов России.
С точки зрения экономической эффективности восстановление электроконтактной наваркой проволокой оплавлением оправдано для деталей с высокой себестоимостью изготовления. К ним относятся детали сложного конструктивного исполнения, в частности, детали с поверхностями качения. Однако, восстановление таких деталей не получило в настоящее время широкого распространения.
Долговечность работы деталей, входящих в узлы трения качения, можно увеличить с помощью технологических методов, гарантирующих высокую износостойкость поверхностей трения. Основной трудностью при получении износостойких покрытий, по-видимому, является высокие требования к твёрдости и глубине упрочнения поверхности трения, что обусловлено большими контактными напряжениями при качении. Анализ существующих технологий показывает, что требуемые свойства восстановленного покрытия можно обеспечить с помощью электролитического хромирования при величине износа до 0,3 мм и технологии электроконтактной наварки проволокой (ЭКНП) при величине износа свыше 0,3 мм.
Широкое внедрение процесса ЭКНП для восстановления поверхностей качения сдерживается недостаточными исследованиями влияния структурной неоднородности слоев после электроконтактной наварки на их контактную прочность и износостойкость. Металлографическими исследованиями макрошлифов установлено, что зона термического влияния при электрокоитактной наварке характеризуется чередованием закаленных и отпущенных структур металла. Границы перехода от закаленной структуры к отпущенной являются концентраторами напряжений и могут увеличить вероятность образования трещин, снизив контактную прочность поверхностного слоя.
В связи с изложенным повышение контактной прочности деталей машин с поверхностями качения является актуальной задачей.
Диссертационная работа состоит из пяти глав.
В первой главе выполнен анализ деталей с поверхностями качения номенклатуры предприятий НПП "Велд", ОАО "Калугапутьмаш", ЗАО "Калужский авторемонтный завод", требующих восстановления. Рассмотрены требования, предъявляемые к восстановленным деталям. Проведен литературный анализ известных способов восстановления деталей машин. Рассмотрены основные способы, применяемые на машиностроительных и ремонтных предприятиях: напыление металлов, наплавка в защитных газах, наплавка под флюсом, вибродуговая и плазменная наплавки, электролитические способы нанесения покрытия (хромирование, железігение) и способы электроконтактной наварки проволокой, лентой, порошковыми материалами. В результате проведенного анализа способов восстановления и механизмов формирования сварного соединения при ЭКН сделан вывод, что
6 наиболее рациональной технологией восстановления рассмотренной номенклатуры деталей с учетом требований, предъявляемых к восстановленным деталям, является ЭКНП оплавлением. Проведен анализ литературных данных по влиянию структурной неоднородности металла на контактную прочность и износостойкость в условиях трения качения. На основании литературного обзора и результатов предварительных экспериментов для сравнения износостойкости наваренных и новых деталей в условиях трения качения сформулированы цель и задачи работы.
Вторая глава посвящена исследованию причин возникновения структурной неоднородности наваренного металла. С помощью расчета методом конечных элементов установлены основные факторы влияния на глубину закаленных зон и ширину зон отпуска на поверхности слоя наваренного металла. Кроме того, получены закономерности их изменения в аналитическом виде, простом для применения в инженерной практике.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию влияния режимов наварки на параметры твердости поверхностного слоя наваренной детали. Исследование проводилось с использованием аппарата планирования эксперимента. На основе экспериментальных исследований была проверена адекватность расчетной модели механизма формирования зон структурной неоднородности и выработаны технологические рекомендации, позволяющие получать слои после ЭКНП, удовлетворяющие требованиям к поверхностям качения.
В четвертой главе проведены исследования износостойкости и контактной прочности слоев после ЭКНП, осуществлен выбор метода дополнительной обработки наваренного металла. В качестве дополнительной технологической меры для повышения контактной прочности и износостойкости слоев после ЭКНП выбрана обкатка роликом. На основе опытных данных обоснован выбор размеров упрочняющего ролика и параметров режима обкатки. С помощью испытаний оценена эффективность применения дополнительной технологической операции.
Пятая глава посвящена разработке типового технологического процесса восстановления поверхностей качения. Приведены примеры деталей с поверхностями качения, восстанавливаемых при помощи ЭКНП оплавлением. Выполнен расчет экономического эффекта от внедрения разработанной технологии на НПП "Велд".
В заключении сформулированы основные выводы по результатам работы.
Технология восстановления поверхностей качения с использованием ЭКНП оплавлением внедрена на предприятии НПП "Велд". Годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии на НПП "Велд" составил 361350 рублей в расчете на годовую программу восстановления крестовин 286 штук.
Анализ причин выхода из строя деталей типа крестовин
Выбор технологического процесса восстановления деталей определяется в первую очередь следующими факторами [2-9]:
а) конструктивными особенностями;
б) условиями работы деталей и величиной их износа;
в) эксплуатационными требованиями к рабочей поверхности деталей;
г) эксплуатационными свойствами способа восстановления,
определяющими долговечность отремонтированных деталей;
д) стоимостью ремонта.
С этой точки зрения была рассмотрена номенклатура деталей с поверхностями качения, в частности и та номенклатура, которая поступает для восстановления на НГГП "ВЕЛД".
Детали с поверхностями качения являются элементами узлов трения. Например, к таким деталям относятся крестовины карданной передачи тягового двигателя электровоза, полукрестовины карданной передачи локомотива и другие [10,11]. Крестовина карданного шарнира представляет собой тело сложной конфигурации, а именно, кольцо с симметрично примыкающими к нему с четырех сторон цапфами (рис. 1.1). Полукрестовины имеют только две цапфы (рис. 1.2). Диаметр цапф крестовин машин железнодорожного транспорта в среднем изменяется в диапазоне значений 30 ... 60 мм. Цапфы входят в сопряжение с игольчатыми радиальными роликоподшипниками, что обеспечивает хорошее центрирование и снижение контактных напряжений поверхностей качения по сравнению с роликовыми и шариковыми телами качения.
В процессе эксплуатации машин вал с карданным шарниром испытывает вибрационные нагрузки, и тела качения игольчатых роликоподшипников работают в режиме качательного движения с малой амплитудой [И]. Поэтому отдельные рабочие участки поверхностей качения испытывают многоцикловые пульсационные нагрузки, которые при длительной эксплуатации приводят к усталостному выкрашиванию и пластическому деформированию поверхностей качения [12].
Для того чтобы поверхности качения имели высокую контактную прочность, поверхности дорожек качения под игольчатые радиальные роликоподшипники должны иметь твёрдость, прочность и качество, не уступающее подшипниковым кольцам [11], то есть твердость должна достигать значений HRC 61 ... 65, а неоднородность твердости не должна превышать 3 HRC [11]. Например, поверхности качения крестовин карданных передач электровозов и локомотивов, изготовленные из низкоуглеродистых легированных сталей типа 18ХГТ, 20ХМФА, 20Х согласно техническим требованиям должны после цементации и поверхностной закалки токами высокой частоты иметь твёрдость 58 ... 62 HRC, а глубина упрочненного слоя должна составлять 1,1 ... 1,3 мм [12].
Самыми распространёнными видами дефектов поверхностей качения являются пластическое деформирование (рис. 1.3 а) и усталостное выкрашивание (рис. 1.36), что может приводить к разрушению поверхностного слоя и износу до 1...3 мм [12,15]. Усталостное выкрашивание или питтингование является проявлением контактной усталости материалов и чаще всего наблюдается при трении качения и качении со скольжением. Причиной образования повреждений, так называемых питтингов, является пульсационное действие контактных напряжений, возникающих в результате переменного давления на трущиеся поверхности [12,15,16]. Известно, что основной причиной зарождения усталостных трещин являются касательные напряжения [12, 15]. Поэтому целесообразно рассмотреть распределение напряжений при линейном контакте двух цилиндрических тел. Согласно данным работы [12] касательные напряжения достигают максимального значения на некоторой глубине от поверхности качения (рис. 1.4).
link2 Исследование механизма образования зон локального разупрочнения link2 \
Известно, что при ЭКНП упрочнение слоя наваренного металла происходит непосредственно в процессе наварки за счет интенсивного теплоотвода в тело детали и принудительного охлаждения жидкостью, как правило, водой [31,62,67]. Сварочный цикл при ЭКНП характеризуется большими скоростями охлаждения, особенно в случае подачи охлаждающей жидкости непосредственно в зону наварки, и значительными пластическими деформациями проволоками [31,32,62]. При некоторых режимах процесса на поверхности основного металла рядом с боковой кромкой навариваемого валика заметна полоска оксидной пленки темно-фиолетового цвета (рис. 2.1), что свидетельствует о нагреве указанных объемов металла до температур 400 -600 С [104]. Например, при наварке образцов диаметра 40 мм из стали 45 пружинной проволокой второго класса диаметром 1,6 мм, расходе охлаждающей воды 0,9 - 1,2 м3/ч, токе наварки 10 кА, продолжительности импульса 0,06 - 0,08 с ширина оксидной пленки составила 2 - 3 мм [62]. Нагрев до температур, соответствующих температурам начала превращений при отпуске стали приводит к образованию зон локального разупрочнения в электроконтактном покрытии. В частности, металлографический анализ структуры макрошлифа образца, наваренного пружинной проволокой с содержанием углерода 0,6 - 0,65 %, проведенный в работе [67], показал, что объемы закаленного металла 1 разделены прослойками частично отпущенного металла 2 с пониженной твердостью (рис. 2.2).
Анализ процесса позволяет выявить следующий механизм формирования разупрочненных зон. Отдельная контактная площадка образуется в результате деформации присадочной проволоки за время электромеханического цикла наварки. Сплошной валик наваренного металла формируется за счет перекрытия единичных контактных площадок. Слой наваренного металла формируется за счет частичного перекрытия валиков наваренного металла, накладываемых по винтовой линии вдоль поверхности детали. Объемы металла контактных площадок из углеродистой стали, претерпевающие в процессе нагрева аустенитное превращение, после прекращения действия импульса сварочного тока охлаждаются с достаточно высокой скоростью, что и приводит к их закалке [71,105,106,111]. В ранее закаленных объемах металла, нагреваемых последующими импульсами сварочного тока до меньших температур, происходят процессы частичного отпуска. При этом, как ясно из рис. 2.3) объемы металла 4, расположенные у края формируемого валика наваренного металла, испытывают наибольшее число термических циклов отпуска и, следовательно, можно предположить, что они сильнее разупрочняются, чем объемы 5, расположенные близко к оси валика. По-видимому, эти объемы и образуют светлые прослойки на продольном сечении поверхностного слоя макрошлифа (рис. 2.2).
Для выявления факторов, влияющих на степень разупрочнения и размеры вышеописанных объемов металла, необходимо рассмотреть процессы структурных превращений углеродистых сталей в условиях, соответствующих процессу ЭКНП.
Известно, что температура начала аустенитного превращения (ТАСІ) В сталях зависит от условий нагрева [1,104,106]. При высоких скоростях нагрева происходит смещение точки АС) в область более высоких температур [1,106,107]. Образующийся при этом аустенит не успевает гомогенизироваться ввиду малой длительности пребывания в высокотемпературной области. Кроме того, быстрое чередование нагрева и охлаждения, соответствующее процессу термоцикл ирования при ЭКНП, еще больше повышает степень негомогенности аустенита, который в период остывания уже при незначительном переохлаждении начинает распадаться в высокотемпературных областях [105,107,108,111]. В частности, при скорости нагрева 3100 С/с в стали 40ХН аустенитное превращение начинается уже при 935 С (рис. 2.4) [108].
Определение диапазонов варьирования основных факторов влияния на твердость поверхностного слоя
Влияние параметров режима ЭКНП на параметры твёрдости слоя наваренного металла (глубину зоны закалки, ширину разупрочненных зон и падение твердости в разупрочненных зонах) целесообразно исследовать с помощью аппарата планирования эксперимента [141], поскольку он позволяет получать достоверные результаты и одновременно сокращать объем проводимых опытов. Метод планирования эксперимента предполагает выбор основных факторов влияния и диапазон их допустимого варьирования.
Параметрами режима наварки являются: усилие сжатия электродов, ширина рабочей поверхности электрода, ток наварки, длительность импульса тока наварки, продолжительность паузы между импульсами тока, перекрытие валиков наваренного металла, частота вращения детали (скорость наварки), а также расход охлаждающей воды.
В исследованиях Дубровского В.Л., Булычева В.В. [76,142] показано, что при наварке оплавлением усилие сжатия электродов следует принимать минимальным из условия отсутствия разбрызгивания расплавленного металла в зоне соединения металлов и предотвращения возникновения вырывов на поверхности детали. Предварительные эксперименты показали, что для присадочной проволоки диаметром 1,6 - 1,8 мм разбрызгивание отсутствует при усилии сжатия, равном 1,5 кН и выше. Отсюда, усилие сжатия электродов следует принимать равным 1,5 кН. Увеличение этого значения приводит к необходимости повышения параметров режима наварки (тока наварки, длительности импульса тока), что увеличивает энергоемкость процесса.
Ширина рабочей поверхности электрода назначается в зависимости от ширины валика наваренного металла. Чтобы обеспечить достаточное перекрытие валиков и исключить появление межвитковых несплошностей в слое наваренного металла, ширина электрода должна быть не меньше, чем ширина валика, гарантирующего качественное соединение присадочного и основного металлов. Для присадочной проволоки диаметра 1,6- 1,8 мм ширина рабочей поверхности электрода одинакова и находится в диапазоне значений от 5 до 7 мм.
Для исследования влияния параметров режима на глубину зоны закалки достаточно при проведении эксперимента ограничиться исследованием единичной площадки наваренного металла. Как было показано во второй главе, наиболее значимыми факторами влияния на глубину зоны закалки являются сила и длительность импульса тока. Их следует выбрать в качестве переменных факторов эксперимента. Диапазон варьирования тока и длительности импульса целесообразно выбирать, исходя из условия обеспечения качества соединения основного и присадочного металлов при элсктроконтактной наварке.
Исследование механизма формирования валика наваренного металла, проведенное во второй главе, показало, что ширина разупрочнснных зон, а также твёрдость поверхности наваренной детали преимущественно определяется скоростью наварки, длительностью пауз, расходом охлаждающей жидкости, а также мощностью импульса наварки. При разработке плана эксперимента в качестве переменных факторов влияния целесообразно выбрать скорость наварки, длительность пауз и расход охлаждающей воды [165].
Для выбора диапазона варьирования скорости наварки и длительности пауз рассмотрим схему осадки присадочной проволоки при формировании валика наваренного металла (рис. 3.1). Навариваемая деталь вращается с угловой скоростью си. Присадочная проволока подаётся под дисковый электрод и прижимается к детали с некоторым усилием Р. Валик формируется за счёт осадки присадочной проволоки электродом в течение времени действия импульсов. Вследствие круглой формы электрода валик приобретает волнистую форму, что свидетельствует о неравномерной по длине валика высоте осадки присадочной проволоки.
