Відновлення деталей сільськогосподарської техніки методом електроіскрової обробки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний технічний

Університет сільського господарства

Автореферат

Відновлення деталей сільськогосподарської техніки методом електроіскрової обробки

Мартиненко Олександр Дмитрович

Харків - 2001

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Умови експлуатації машин і обладнання вимагають високої якості, надійності і довговічності до їх деталей. По мірі зносу деталей рівень їх властивостей, як правило, знижується. Це пов'язано з тим, що при роботі зміцненої робочої поверхні має місце деякий спад твердості і зниження фізико-механічних властивостей, а також накопичення та розвиток ушкоджень (наклеп, мікротріщіни, пори, графітизація та ін.).

Для забезпечення необхідних споживчих властивостей штоків, валів, шестерень, штампів та інших деталей сільськогосподарської техніки і стабільної роботи машин і обладнання необхідно забезпечити отримання в процесі їх ремонту високу якість робочих поверхонь. Це можливо шляхом вибору ефективних параметрів і технології відновлення, які б не справляли вплив на зміну лінійних розмірів при обробці, не вимагали б наступного правлення, не змінювали б структури і властивостей матеріалу деталі (у тому числі серцевини).

До числа таких технологічних процесів відновлення деталей в першу чергу відносяться способи з використанням висококонцентрованих джерел енергії - лазерна, плазмова, електронно-променева та електроіскрова обробки. електроіскрова обробка сільськогосподарська техніка

Найбільш доступним з точки зору обладнання і вартості обробки є електроіскровий метод, який дозволяє проводити нарощування зношеного шару до 2,0мм на діаметр деталі та не вимагає особливого екологічного захисту.

Метод електроіскрової обробки може використовуватися в будь-якій ремонтній майстерні, оскільки обладнання можливо легко змонтувати на базі будь-якого обертала (металорізного верстата). Тому направлення робіт пов'язане з забезпеченням високої якості відновлення деталей і відносно недорогим та не дефіцитним обладнанням має бути важливим і актуальним.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Напрямок виконаної дисертаційної роботи відповідає держбюджетній та госпдоговірній тематиці ХДТУСГ за період 1990-1999р.р., крім цього робота є складовою частиною регіональної програми "Найважливіші проблеми АПК на 1996-2005роки". Результати проведених досліджень найшли відображення у трьох науково-дослідних роботах ХДТУСГ, дві з яких виконувалися по госпдоговірній тематиці з АТ "Турбоатом", а третя - фінансувалася на конкурсній основі Міністерством машинобудування, військово-промислового комплексу і конверсії України в період 1989-94р.р. (договір 313/07, тема 33-92). Державна реєстрація звітів по науково - дослідницьким роботам на час виконання цієї роботи не проводилася.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка ефективних параметрів і матеріалів для відновлення зношеної поверхні деталей сільськогосподарської техніки (штоків, валів, шестерень, штампів та ін.), вдосконалення вузлів обладнання для електроіскрової обробки (ЕІО).

Об'єкт досліджень: вивчення процесів зношування, відновлення та зміцнення деталей і обладнання сільськогосподарської техніки при їх капітальному ремонті.

Предмет дослідження: розробка технологічних параметрів відновлення деталей і обладнання сільськогосподарської техніки електроіскровим методом.

Методи досліджень: для рішення проблеми ефективного відновлення зношених деталей електроіскровим методом вивчали особливості зносу та стану поверхні тертя, на основі яких розробляли технологічні процеси попередньої обробки. Відновлення деталей базувалося на проведенні досліджень якості такого шару і впливу параметрів обробки.

Для досліджень структури, фізико-механічних і експлуатаційних властивостей деталей, що відновлюються електроіскровим методом використовували - оптичну і електронну мікроскопію, рентгеноструктурний та спектральний аналізи, а також методи, що дозволяють оцінити експлуатаційну надійність деталей - корозійну стійкість, жаростійкість, зносостійкість.

Розроблено нові методики досліджень, які в процесі проведення ЕІО дозволили оцінити характер розподілу хімічних елементів і регулювати процес обробки, а також видаляти (руйнувати) частину азотованого шару, який зберігся після експлуатації деталі, без застосування механічної обробки.

Для реалізації поставленої мети необхідно:

- вдосконалити вузли обладнання і забезпечити надійну роботу установки для нанесення якісного і однорідного по властивостям шару;

- вивчити особливості зносу і поведінки матеріалу деталей при експлуатації;

- вивчити вплив структурного стану відновленої поверхні на якість нарощеного шару;

- дослідити вплив хімічного складу матеріалу аноду на якість катоду;

- оцінити поведінку азотованого шару при нагріванні для вибору параметрів попередньої обробки деталей;

- науково обґрунтувати, вивчити і розробити оптимальні параметри промислового відновлення деталей сільськогосподарської техніки і обладнання.

Наукова новизна роботи:

- розроблена математична модель, яка описує вплив основних параметрів обробки і вміст найбільш значних компонентів - вуглецю і хрому на якість шару, що нарощується при електроіскровій обробці;

- запропоновано розрахункову схему опису нерівностей і шорсткості при ЄІО, наведено математичні залежності для розрахунку шорсткості;

- виявлена залежність впливу струму іскрового розряду на діаметр одиничної лунки і шорсткість, що формуються при обробці;

- комплексними дослідженнями оцінена кінетика зміни хімічного складу в течії часу при нарощуванні шару електродами з різноманітних сплавів;

- для обґрунтування вибору технології обробки вивчено вплив матеріалу аноду на кінетику структуроутворення і властивості сформованого шару;

- оцінено вплив типу електроду та параметрів обробки на глибину і властивості перехідної зони (термічного впливу);

- встановлено вплив стану поверхні, що відновлюється на якість шару, який формується при нарощуванні;

- засобами математичного моделювання оцінено вплив основних параметрів попередньої лазерної термообробки на розпад азотованого шару поверхні деталі (підданій хіміко-термічній обробці при виготуванні), яка відновлюється методом ЕІО.

Практична цінність роботи:

- виконані комплексні дослідження по визначенню ефективних матеріалів для виготовлення електродів при відновленні та зміцненні деталей сільськогосподарської техніки (штоків, валів, шестерень, штампів та ін.) і обладнання;

- розроблені і апробовані оптимальні параметри відновлення деталей;

- проведена промислова перевірка і впровадження у виробництво технології відновлення деталей, розроблені технологічні процеси їх відновлення.

Реалізація результатів роботи:

- по розробленим технологічним процесам відновлені деталі сільськогосподарських машин в умовах Пересечанського РТП: штоки, шестерні, вали, а також деталі обладнання - штампи;

- на основі досліджень розроблено і прийнято замовником технологічне завдання (ТЛЗ) на проектування спеціалізованої дільниці по зміцненню та відновленню деталей електроіскровим методом.

Річний фактичний економічний ефект від впровадження розроблених технологічних процесів склав 139540грн, а потенційний - від розширення обсягів впровадження та номенклатури деталей, що обробляються - 6млн. 205тис. грн.

Особистий внесок здобувача: Виконані теоретичні і експериментальні дослідження, що стосуються особливостей формування нарощеного шару при ЕІО. Для підвищення якості відновлювального шару деталей, попередньо азотованих, і зменшення обсягів механічної обробки розроблені рекомендації по розкладу нітридів в поверхневому шарі матеріалу штока. Теоретично оцінені параметри та запропоновано засіб обробки такої поверхні лазерним променем.

Розроблена математична модель, що описує вплив хімічного складу аноду та технологічних параметрів обробки на додаток катоду. Виконана оцінка коефіцієнта суцільності покриття в залежності від числа дотиків і проходів електрода. Вивчено вплив матеріалу електрода і параметрів обробки на розмір зони термічного впливу. Розроблені та впроваджені у виробництво технологічні параметри електроіскрової обробки відновлення деталей. Найбільш повно особистий внесок автора в кожній публікації вказано в списку наукових праць.

Апробація результатів дисертації. Результати проведених досліджень доповідались на щорічних (1991-2000р.р.) науково-методичних конференціях ХДТУСГ, а також на конференціях: "Концентрированные потоки энергии в обработке и соединении материалов"(ПРДЕНТП м. Пенза, 1991р.); II-й науково-практичній конференції-"Перспективы развития механизации, автоматизации и технического сервиса сельскохозяйственного производства" (ПДСІ м.Полтава, 1997р.), конференції молодих вчених "Актуальні проблеми природничих і гуманітарних наук" (ПДСГІ м.Полтава, 1997р); міжнародній науково-практичній конференції "Напрямки розвитку технічного сервісу у ХХІ сторіччі" (ХДТУСГ м.Харків, 2000р.).

Публікації. В дисертаційній роботі викладені результати виконаних досліджень, проведених на протязі 1990-2000р.р. Основні матеріали викладені у трьох звітах по госпдоговірним науково-дослідним роботам та 11 публікаціях автора по темі дисертації (9 статей, одна теза доповіді та інформаційний листок), а також найшли відображення в учбовому виданні по ремонту машин і двох практикумах.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (126 найменувань) і 7 додатків.

Загальний обсяг дисертації складає 217 сторінок. Основна частина викладена на 153 сторінках тексту, і містить в тому числі 33 таблиці і 33 рисунка.

основний Зміст роботи

У вступі роботи на основі аналізу літературних джерел і можливостей метода електроіскрової обробки обґрунтована актуальність теми, сформульована мета і задачі досліджень, наведені дані про практичну цінність і наукову новизну.

В першому розділі наведено аналіз стану питання та обґрунтовано вибраний напрямок досліджень. Показано, що традиційні засоби, які застосовуються для відновлення деталей сільськогосподарської техніки нарощуванням зношеного шару приводять до зміни фізико-механічних властивостей серцевини та короблення при обробці. Показана доцільність використання метода ЕІО, який забезпечує лише локальний розігрів поверхневого шару деталі і його відновлення. При цьому зменшуються витрати енергоносіїв на обробку і додатково можливо здійснювати зміцнення з використанням процесу ППД.

У даному розділі узагальнені дані про матеріали, що застосовуються для виготовлення і відновлення деталей сільськогосподарської техніки в залежності від технологічних процесів їх виробництва і умов експлуатації.

Розглянуто основне обладнання для ЕІО та його призначення.

Проаналізовані особливості і переваги структуроутворення в умовах переносу речовини з аноду на катод. Така обробка може забезпечити:

- формування зміцненого шару без утворення грубих хімічних сегрегацій;

-кристалізацію шару з дуже дрібним зерном і достатньо високою міцністю;

- виділення нових метастабільних фаз, що поширять можливість ефективного використання наступної термічної обробки та зміцнення методом ППД.

Проаналізована суттєвість процесу ЕІО, що в сукупності з підходом до вибору параметрів обробки і матеріалів для нарощування зношеного шару дозволяє забезпечити високу довговічність висококоштовних деталей машин і обладнання.

У другому розділі роботи детально розглянута методика проведення експериментальних досліджень з використанням сучасних засобів аналізу. Дослідження проводили на матеріалах, які використовують для деталей сільськогосподарської техніки і обладнання (сталі 45, 40Х, ст. 3), і наведених в табл. 1. При розробці технологічного процесу відновлення, а також управління процесом отримання на поверхні деталей заданого хімічного складу нарощеного шару необхідна постійна інформація, що може бути отримана на основі засобу спектрального аналізу.

В роботі проведені дослідження, які дозволяють оцінити можливість застосування емісійного спектрального методу аналізу для вивчення і контролю процесу ЕІО. В експерименті оцінювали порівняльну кількість кожного елементу, що надходить в зону розряду по почорнінням спектральних ліній.

Кінетику електроіскрового нарощування вивчали фотографуванням спектрів, які утворюються при розряді між електродом і зразком через рівні проміжки часу (1-2хв) і вимірюванням почорніння ліній елементів.

Критерієм оцінки ефективності використання метода ЕІО деталей були параметри обробки і твердість поверхневого шару, структурні зміни і результати іспитів на зносостійкість, жаростійкість, корозійну стійкість. Іспити на знос проводили на машині тертя МІ-1М. Навантаження на зразок складало - 16кг, час іспиту зразка - 141хв, що відповідає 63350 циклам.

Для визначення якості нарощеного шару здійснювали візуальний огляд на наявність пор, несуцільність покриття, тріщин. Заміряли геометричні розміри на відповідність розмірам креслення. Оцінювали структуру, глибину і твердість відновленого шару та перехідної зони. Вивчали вплив технологічних параметрів обробки на якість відновленого шару. Після нарощування ЕІО оцінку мікротвердості проводили на скісних шліфах (кут a @ 5град.). Глибину зміцненого шару пластичної деформації (h) визначали по залежності:

(1)

де - протяжність відновленого шару на скісному зрізу.

Для відновлення деталей електроіскровим методом використовували різноманітні електродні матеріали, які забезпечують вимоги до їх експлуатаційної стійкості. Електроди мали форму дисків Ж80-250мм товщиною 1,5-2,5мм, або круглих чи квадратних по перетину заготовок. В роботі розглянута велика кількість електродних матеріалів, які використовували у зв'язку з тим, що з одного боку необхідно було виявити вплив основних елементів - C і Cr на експлуатаційні властивості відновлених деталей, а з іншої - вибрати ефективний матеріал. Обробку проводили при обертанні деталей зі швидкістю 100-250об/хв і переміщенням супорту S=1,0мм/об. Частота вібрації електроду відповідала 50Гц. Число проходів електрода змінювали в межах n=1-8.

Розглянута методика промислового випробовування і впровадження розробок. При проведенні нарощування зношеного шару деталі, здійснювали всі необхідні попередні операції, що докладно і послідовно викладаються в технологічному процесі на відновлення і технологічному завданні на створення спеціалізованої дільниці по ремонту деталей. Параметри оцінювали згідно технічних вимог на відновлення деталей. Досліджували особливості руйнування і зносу поверхні тертя, вивчали можливості зміни структурного стану шляхом розробки спеціальних операцій відпалу, що дозволять забезпечити найбільше зняття напруги і усунути заздалегідь зміцнений методом хіміко-термічної обробки шар без зняття металу механічною обробкою (різанням, шліфуванням). Такі методи базувались на теоретичних і експериментальних дослідженнях.

Третій розділ роботи присвячений розробці вихідних даних по модернізації установки та пристроїв для ЕІО деталей. Проаналізовано вплив технологічних параметрів на якість шару, що формується.

Після модернізації установки проведені вимірювання технологічних параметрів обладнання (табл. 2), які показали його дієздатність та надійність.

До числа основних технологічних параметрів відносяться: число дотиків електродами поверхні відновлювальної деталі; висота мікронерівностей; параметри одиничної лунки (радіус, крок нерівностей, радіус округлення западин, що формуються); коефіцієнт суцільності покриття, а також кількість обертів деталі на хвилину, поздовжня подача, продуктивність процесу і необхідна кількість електродів для ефективності відновлення цим методом.

В залежності від розміру і типу деталі є можливість використання одного, двох або трьох електродів водночас (в деяких випадках і більше).

При електроіскровому відновленню і нарощуванні практично не прогрівається основний метал деталі, а у відновленому шарі формуються розтяжні напруження. Для їх зменшення і додаткового зміцнення поверхневого шару розробили конструкцію обкатника, що змонтували на установку (рис. 1).

Рис. 1. Загальний вид обкатника

Крім того, використання обкатника (забезпечується тиск до 50МПа, оптимальний 30МПа) дозволяє підвищити не тільки якість обробної поверхні, але і збільшити висоту нарощеного шару за рахунок багатократної обробки при зниженні ступеню шорсткості і зменшенні обсягів наступної шліфовки.

Для вибору тиску при обкатці, окрім фізико-механічних властивостей металу нарощеного шару, оцінювали і шорсткість, що формується при ЕІО.

До основних характеристик, які визначають якість відновленого шару, До найбільш важливих технологічних параметрів, які забезпечують якість нанесеного шару, відносяться: енергія імпульсу; кількість проходів електродом; час легування та частота слідування імпульсів. Збільшення енергії імпульсів призводить до зростання товщини шару, що нарощується, висоти мікронерівностей, суцільності покриття, питомого приросту маси катоду при незначному зниженні твердості цього шару.

Співвідношення числа дотиків Р(од/хв) і технологічних параметрів при нарощуванні шару в деталях типу тіл обертання оцінювали по залежності (2):

,(2)

де z - число електродотримачів в інструменті для обробки, одиниць; nu - швидкість обертання інструменту, об/хв; D - діаметр деталі, що обробляється мм; nД - швидкість обертання деталі, об/хв; S - подача, мм/об.

Висоту мікронерівностей оцінювали розрахунковим шляхом на основі розміру одиничних лунок, який визначали за допомогою оптичного мікроскопу МІМ-8М. Висота їх змінювалася від R1 до R2, яку теоретично перевіряли по залежностям (3):

 ; ,(3)

де kл - коефіцієнт лунки, рівний відношенню rл/hл; - радіус одиничної лунки; hл - висота одиничної лунки; b- коефіцієнт, рівний відношенню міжцентрової відстані сусідніх лунок до радіусу одиничної лунки.

Крок нерівностей профілю (Si) по вертикалі оцінювали з залежності (4):

(4)

де - коефіцієнт пропорційності (середня міжцентрова відстань між сусідніми лунками).

Продуктивність процесу обробки N визначали по залежності:

,(5)

де d - діаметр одиничної лунки, мм; k - коефіцієнт суцільності покриття по перетину деталі; k - - коефіцієнт суцільності покриття по довжині деталі;

Виходячи з площі обробки визначали необхідну кількість електродів:

,(6)

де Sобр - площа деталі, що обробляється, см2; tобр - заданий час обробки, см2/хв.

Коефіцієнт суцільності покриття оцінювали по залежності (7):

,(7)

де Sо суцільність покриття за один прохід електродом, визначали теоретично, Sо=55(55%); n - число проходів електродом.

Виходячи з цього - суцільність покриття при двох проходах електродом складає 0,8 (тобто 80%), після трьох - 91%, після чотирьох - 96%. Починаючи з трьох проходів забезпечується достатньо висока продуктивність процесу відновлення. Товщина електродів та крок обробки визначає суцільність покриття.

При визначенні електричних параметрів виходили з того, що діаметр одиничної лунки залежить від величини струму іскрового розряду (табл. 3).

До деталей, що підлягають відновленню засобом ЕІО, розроблено технічні вимоги по їх підготовці. В залежності від величини зносу деталі (0,05-0,40мм)- вхідна висота мікронерівностей поверхні, яка підлягає відновленню, повинна бути не вище 25-160мкм відповідно. При цьому забезпечується оптимальна шорсткість після обробки, яка дорівнює 0,63мкм.

Четвертий розділ роботи присвячений дослідженню якості шару, що нарощується при ЕІО. Дослідженнями встановлено, що при збільшенні енергії імпульсу від Е1=0,9Дж до Е2=3,4Дж додаток катоду зростає в 2,0-2,4рази, а ерозія аноду - в 1,68-2,07рази (табл. 4). При цьому сумарна ерозія аноду і додаток катоду, в випадку якщо вони виробляються з одного матеріалу, мають тенденцію до збільшення в сплавах з високою схожістною температурою.

Найбільш якісний нарощений шар досягається за умови, коли використовуються однакові матеріали для аноду і катоду (коефіцієнти лінійного розширення рівні). Ерозійну стійкість інструменту оцінювали по критерію Л.С. Палатніка- Кэ:

,(8)

де С - теплоємкість, Дж/кг град(К); - щільність, кг/м3; - теплопровідність, Вт/м град(К); - температура плавлення, град(К).

Встановлено, що при збільшенні концентрації вуглецю і міри легованості матеріалу критерій Кэ для всіх сталей у порівнянні з Ст. 3 зростає на 12,5-24,5%, а для чавуну на 37,1%. Найбільший додаток катоду досягається при збільшенні енергії імпульсу.

Результати розрахунків (табл. 5) показали, що ерозійна стійкість аноду для цих матеріалів зростає у напрямку: вуглецева сталь ® сталь легована ® заевтектоїдна сталь ® чавун. Чим більше значення Кэ, тим вище ерозійна стійкість.

Випробування на знос показали, що в вуглецевих матеріалах втрата ваги практично не відрізняється від вхідних зразків (за винятком сірого чавуну, котрий при обробці відбілюється). Найбільш висока зносостійкість досягається при використанні аноду з високовуглецевих або низьковуглецевих легованих матеріалів.

Найбільш якісний, хоча і найменший, по величині шар при ЕІО високовуглецевих сплавів формується при обробці з енергією імпульсу Е1=0,9Дж. Висока ерозійна стійкість аноду досягається при використанні для нього легованих сплавів. Іспитами на знос підтверджена доцільність використання аноду з високолегованих сплавів, особливо з підвищеним вмістом хрому. Однак в цих сплавах концентрація вуглецю не повинна бути занадто високою, тому що виділяється велика кількість карбідної фази, яка веде до неоднорідного зносу, з-за схильності до ушкодження і руйнування (викришування). Неоднорідність зношення може викликатися і збільшенням схильності до графітизації карбідної фази.

Вивчення кінетики процесу графітизації проводили на чавунах. Серією експериментів була проведена оцінка впливу високотемпературної пластичної деформації на графітизацію. Нагрів зразків здійснювали в камерній електропечі до температур 850 і 10500С. Зразки осаджували на кулачковому пластометрі на величину деформації рівної 50% з різним числом проміжних підігрівів і дрібністю деформації, а також проводили кування зразків на молоті (витяжку) до величини кування рівної 6 з різноманітним числом проміжних підігрівів.

При дворазовій осадці з проміжним підігрівом і дрібністю деформації підвищується схильність до графітизації у сплавах в усіх розглянутих випадках (~в 2 рази). З підвищенням вмісту карбідоутворюючих елементів (титану і хрому) вплив деформації на графітизацію знижується. Так, збільшення концентрації хрому до 1,5% при дробній деформації та кратному нагріві майже в 1,5-2 рази зменшує схильність металу до графітизації.

Моделюванням показано, що введення хрому в високовуглецевий сплав знижує графітизацію навіть при гарячій пластичній деформації (в 1,1-2,0рази). Систематизованими дослідженнями впливу хімічного складу сплаву аноду і параметрів обробки отримана математична модель, яка дозволила оцінити додаток катоду як в залежності від ролі кожного з факторів, так і їх парної взаємодії:

U=0,84-0,38X1-0,18X2+0,83X3+0,73X4-0,48X1X3-0,33X2X3+0,32X4X3-0,12X1X4-0,12X2X4+0,62X1X2X3+0,52X1X2X4-0,48X1X3X4-0,28X2X3X4+0,28X1X2X3X4 (9)

Максимальний приріст додатка катоду досягається при впливі кожного фактору в окремості: енергія імпульсу - Е2=3,4Дж (Х3); число проходів електродом - n=6 (Х4); концентрація хрому - 10% (Х2) і вуглецю - 0,5% (Х1). Вміст вуглецю і хрому в аноді спільно не справляють вплив на додаток катоду, однак їхня роль виявляється в поєднанні з технологічними факторами.

При використанні для обробки до трьох проходів електрода в нарощеному шарі формується дисперсна структура на базі хімічних елементів катоду і аноду. При збільшенні числа проходів хімічні елементи катоду в шарі будуть відсутні, і збільшується частка кристалізації оксидних і відособлених карбідних включень, а також з'являються мікропори.

Показано, що зміцнення досягається не тільки за рахунок кристалізації дисперсної структури, але і насичення шару вуглецем і азотом (до 0,108%), які надходять з повітря міжелектродного зазору і забезпечують H-100 - 550-570.

Зміна концентрації основних елементів по периметру не перевищує 5-28%, а по глибині змінюється в 2-3рази, що визначається матеріалом катоду. Фазовим аналізом в нарощеному шарі виявлені карбіди і чисті елементи (Ті, Cr), що позв'язано з перенесенням через міжелектродний зазор їх атомів або іонів.

Вивчено особливості структуроутворення по топографії (шорсткості) і мікродослідженням нарощеного шару. Топографія поверхні достатньо однорідна. Нарощений шар являє собою не витравлену структуру, в якій проглядаються тонкі білі зони у вигляді ліній (товщиною 0,33-1,67мкм), що належать карбідній фазі. Ці лінії утворюють структуру, яка складається з кількох невеликих шарів.

Отримані результати експериментальних досліджень по впливу компонентів аноду, параметрів обробки, кінетики формування нарощеного шару використані при розробці промислової технології відновлення деталей.

В п'ятому розділі роботи аналізується стан поверхні зношених деталей, і розглядаються рекомендації її підготовки до відновлення. Важливе місце займає стан зношеної поверхні, який може бути оцінений на основі вивчення кінетики і механізму структурних змін, що відбуваються на поверхні тертя, а також по зміні рівня твердості та пошкодженню робочого шару.

Дослідження стану поверхні проводили на деталях, виготовлених із різноманітних матеріалів: плунжери (сталь ШХ15), колінчасті вали (високоміцний чавун) і штоки (сталь 40Х і 20Х1М1Ф1ТР). Для визначення величини і характеру зносу поверхні плунжерів (сталь ШХ15) проводили мікрометраж у різних площинах деталей, які вийшли з ладу в різний період експлуатації. Величина зносу деталей по діаметру перетину становила у середньому -48-66мкм, а по довжині - 2,9-3,7мм. Дослідженнями встановлено, що з початку роботи знос особливо нерівномірний (до 60%), що пов'язано з карбідною неоднорідністю вихідного сплаву. Більш інтенсивний знос мають торцеві поверхні плунжерів.

Рентгеноструктурним аналізом встановлено, що в зонах вторинного гарту карбідна фаза практично розчиняється і структура являє собою мартенсит з ділянками остатнього аустеніту (до 10-12%). Метод вакуумного травлення при t=600-6500С протягом 2год. показав, що стабільність такого аустеніту різко знижується і відбувається його розпад з виділенням карбідів, які по формі і розподілу відрізняються від вхідних. Проведення такої термічної обробки забезпечує значну стабілізацію структури робочої поверхні, однорідність виробки і дозволяє істотно скоротити величину знімання пошкодженого шару.

Аналіз поверхні зносу колінчастих валів виявив наступне: в поверхневому шарі кількість феритної складової збільшується на ~7,0% і визначається ступенем розпаду продуктів аустеніту при терті і графітизації. Глибина шару із збільшеною часткою фериту складає 30-60мкм. Безпосередньо на поверхні тертя виявлені мікротріщини, які розташовуються під кутом 450, глибина їх не перевищує 2-5мкм. Аналіз хімічного складу з поверхні і більш глибоких шарів підтвердив результати металографічних оцінок кількості графіту, що формується в різноманітних зонах колінчастого валу. Наявність більшої частки крапкових включень в поверхневому шарі пов'язана з додатковим виділенням графіту при терті.

Для проведення відновлення нарощуванням методом ЕІО необхідно видаляти тільки тонкий шар, в якому є мікротріщини (глибиною 2-5мкм). Збільшення частки феритної складової зробить сприятливий вплив на зменшення рівня напружень при відновленні нарощуванням. Зниження рівня твердості на 8% (з 286HB до 262HB) в цьому шарі свідчить про відсутність поверхневого наклепу.

В роботі проводили дослідження зношеної поверхні штоків гідроциліндрів сільськогосподарських машин. В залежності від призначення штока основними дефектами при експлуатації є: згин, зрив і пом'яття різьби, знос поверхні отвору вилки під палець, знос зовнішньої робочої поверхні. Для отримання більш якісного шару доцільно використовувати такі операції: відпал при 400-4500С для зняття напружень, електроіскрове нарощування, що дозволяє компенсувати знос шару до 0,5-1,0мм на бік, сформувати якісну перехідну і робочу зону по всій довжині штока.

В роботі аналізували знос і структурні зміни на поверхні тертя штоків з легованої сталі 20Х1М1Ф1ТР, зі складною термічною обробкою (поліпшення для забезпечення високої міцності і жорсткості серцевини, а також поверхнева хіміко-термічна обробка - азотування для отримання високої зносостійкості). Вони мали односторонні вироблення від втулок по глибині до ”0,05мм.

В усіх досліджених штоках на відстані 20мм від головки твердість в 1,9-2,2рази нижче, ніж на відстані 900мм. Вхідна твердість серцевини досліджених штоків після експлуатації зменшується на 13-26%. Металографічними дослідженнями штоків по довжині встановлено, що у хвостовій частині глибина азотованого шару складає 0,4мм, а біля головки до 1мм. На відстані 300мм від головки такий шар складає 0,9мм. При зростанні глибини шару по довжині штока відзначається зниження твердості. Після експлуатації штока мікротвердість поверхневого шару практично досягла вхідної (Н-50 - 180-230), а глибина його зросла до 0,57-0,98мм, що пов'язано з підвищеною робочою температурою, частковою дисоціацією нітридів і дифузією азоту та одночасного його вилучення в атмосферу. В момент дисоціації нітридів атоми металу володіють підвищеною активністю і легко окислюються, тому на поверхні азотованого шару з'являються окисли, кількість яких поступово зростає. Для стабілізації структури перед відновленням зношеного шару було б доцільним провести високотемпературний гомогенізований відпал, однак це не можливо в зв'язку з тим, що об'ємний нагрів обмежується температурою 500-6500С. При її підвищенні порушуються властивості серцевини штока (знижується жорсткість, міцність, втрачається форма).

Для зняття зміцненого поверхневого шару деталей, попередньо підданих хіміко-термічній обробці в роботі виконано математичне обгрунтування режимів лазерного відпалу. За основу було взято рівняння теплопровідності:

,(10)

Після ряду перетворень та рішення рівняння теплопровідності визначили співвідношення між глибиною D розташування крапок в середині втулки від зовнішньої поверхні, і температурою в них:

,(11)

де - температура (під плямою лазерного променя на поверхні втулки) на глибині . При То№0 маємо:

,(12)

де - температура в середині втулки.

Шоста глава присвячена промисловому випробовуванню і впровадженню у виробництво виконаних розробок. На основі лабораторних досліджень запропоновані ефективні параметри електроіскрової обробки. По цим режимам відновлення оброблена промислова партія штоків. Промислове випробовування в умовах ремонтного виробництва проводили на деталях сільськогосподарської техніки, що ремонтуються на Пересічанському і Старосалтівському РТП. Використовували розглянуті і вивчені хромові електроди, а також електроди на нікелевій основі з додатками хрому, ванадію і титану (ХН60ВТ).

При засвоєнні промислової технології встановили, що при збільшенні числа проходів вище трьох додаток катоду істотно уповільнюється і якість нанесеного шару погіршується, зростає число пор, з'являється несуцільність покриття. Ці дані повністю узгоджуються з результатами отриманих досліджень.

Аналіз якості нанесених шарів показав, що при використанні аноду з сталі У9 при кількості проходів - n=3 потрібно використовувати напругу на нижній межі (13-15В). При збільшенні напруги відбувається інтенсивне окислення шару, зростає його крихкість при механічній обробці і експлуатації.

Кращі результати були отримані при використанні аноду з хромових сплавів на залізній основі та сплавів з добавками хрому, ванадію і титану на нікелевій основі. Для таких матеріалів при обробці можливе використання напруги в більш широких межах без погіршення якості відновленого шару.

Для зменшення шорсткості, ущільнення металу після ЕІО використовували обкатку (ППД), після цього - шліфовку для отримання заданих розмірів. Оптимальне навантаження для обкатки складає 300-400Н. ППД після ЕІО при навантаженні 300Н збільшує втомлену міцність деталей на 4-5% (з s-1=290-300МПа до s-1=305-315МПа) і покращує конфігурацію шару. ППД не змінює інших механічних характеристик.

Порівняльними випробуваннями на знос до та після ЕІО встановлено, що зносостійкість при відновленні методом електроіскрової обробки зростає в 1,48-1,94рази (в середньому - 1,7раза).

Фактичний економічний ефект від впровадження відновлення деталей електроіскровим методом в умовах виробництва на Пересечанському РТП та Зміївській ГРЕС склав 139,54тис. грн. на рік.

Промислове випробовування технології ЕІО на ремонтних підприємствах виявило технічну можливість і техніко-економічну доцільність застосування метода відновлення різноманітних деталей - штоків, вісі, блоків шестерень, маточин веденого диску головної муфти зчеплення, розподільного валу, шатунних пальців і інших деталей.

Фактичний економічний ефект від відновлення методом ЕІО склав 70тис.грн. при обсязі впровадження 4650одиниць на рік, за рахунок підвищення зносостійкості відновлених деталей (до повного виходу їх з експлуатації) в 1,5-2,0рази, а також збільшення глибини зміцненого шару до 1,0мм у порівнянні з електролітичним хромуванням, або азотуванням поверхні (до 0,15-0,30мм), забезпечення стабільної мікротвердості поверхні на рівні Н-100-550-570, а в ряді випадків до Н-100-700-720 при використанні електродів марки 30Х13. Підготовлено ТЛЗ на створення спеціалізованої дільниці по відновленню штоків методом ЕІО на базі АТ “Турбоатом”. Воно включає номенклатуру деталей, що обробляються і необхідне обладнання. Очікуваний економічний ефект складе 6,14млн. грн. на рік.

Загальні висновки і рекомендації

1. Розроблені технологічні параметри відновлення деталей сільськогосподарської техніки і обладнання методом ЕІО. Визначені ефективні матеріали аноду, які містять для відновлення деталей сільськогосподарської техніки.

Для отримання якісного відновленого шару рекомендовано здійснювати попередню термічну обробку деталей (відпал) для зняття наклепу. У випадку, якщо на поверхні деталі після її експлуатації залишився загартований або підданий хіміко-термічній обробці шар рекомендовано використовувати метод нагріву поверхні лазерним променем.

Встановлено, що при відновленні деталей число проходів електроду не повинно перевищувати - трьох. При цьому необхідно забезпечити струм короткого замикання Ікз=8-10А, напругу холостого ходу V=14-16В. Зміцнення поверхні і підвищення якості відновленого шару забезпечується обкаткою (навантаження 30МПа). При цьому шорсткість поверхні не перевищує Rz=0,63мкм а глибина зміцненого шару 0,8-1,0мм з середньою мікротвердістю до H-100 - 550-570.

2. Розроблена математична модель, яка описує вплив основних параметрів обробки і вміст найбільш значних компонентів - вуглецю і хрому на якість шару, що нарощується засобом електроіскрової обробки. Максимальний приріст катоду досягається при енергії імпульсу Eu=3,4Дж. Особлива роль технологічних параметрів обробки виявляється спільно з вмістом вуглецю і хрому в аноді, з підвищенням яких забезпечується максимальна зносостійкість.

3. Вивчено вплив кількості дотиків електроду (на см2) в протязі часу на коефіцієнт суцільності покриття. Показано, що суцільність покриття після трьох проходів електроду складає 91%, і забезпечується достатньо висока якість відновленого шару та продуктивність процесу.

4. Оцінена кінетика змінювання хімічного складу нарощеного шару протягом часу при ЕІО електродами з різноманітних сплавів. Виявлена зміна концентрації компонентів катоду з урахуванням їх вмісту в аноді. Визначено час в період, якого вміст компонентів стабілізується, і з'являються нові фази з азотом.

5. Запропонована розрахункова схема процесу утворення нерівностей і шорсткості при електроіскровій обробці. Оцінена залежність впливу струму іскрового розряду на діаметр одиничної лунки. При збільшенні струму іскрового розряду від 15 до 80А діаметр лунки зростає з 0,3 до 1,4мм.

Для зменшення шорсткості, підвищення якості і глибини нарощування рекомендовано проводити ППД, як проміжну або кінцеву операцію. Для її здійснення розроблені пристосування і оптимальні параметри обробки.

6. Вивчені закономірності розподілу і склад фаз хімічних елементів по глибині і периметру шару, що нарощується, а також зони термічного впливу.

Показано, що окрім a-Fe, g-Fe, спецкарбідів, карбонітридів в шарі виявляються чисті елементи аноду. Це підтверджує, що при обробці має місце механізм переносу через міжелектродний проміжок атомів та іонів цих компонентів.

Зі збільшенням ступеню легованості і частки вуглецю в катоді середня глибина зони термічного впливу, починаючи з 4-х проходів, істотно зростає.

7. При розробці рекомендацій по підготовці робочої поверхні (з урахуванням її стану) до відновлення, досліджували особливості зносу деталей сільськогосподарської техніки, виготовлених з різноманітних матеріалів. Встановлено, що в деталях, попередньо підданих хіміко-термічній обробці (азотуванню), після експлуатації частково залишається зміцнений шар, який потрібно відновлювати або знімати поперед проведенням операції -нарощення. Запропоновано відновлювати попередньо азотований шар деталей шляхом обробки лазерним променем, який дозволить зменшити обсяг механічної обробки а також нарощувати незначний шар, не ушкоджуючи прямолінійність довгомірних деталей.

Під час експлуатації деталей сільськогосподарської техніки, виготовлених зі сталі ШХ-15, на поверхні тертя формується зона вторинного гартування, яка знижує якість шару, що відновлюється. Запропоновано метод відновлення такого шару плунжерів роторних насосів, суттєвість якого полягає в термічній обробці при t=600-6500С на протязі 2-хгодин. При цьому забезпечується стабілізація структури робочого шару деталі з формуванням дрібних однорідних карбідів.

8. Виконано математичне обґрунтування режимів відновлення деталей методом лазерної обробки, які попередньо були піддані хіміко-термічному зміцненню. В основу розрахунків покладено рівняння теплопровідності, яке ураховує конвективні процеси. Рішення цього рівняння дає розподіл температурного поля у точках циліндра, який обробляється лазерним променем. На основі ряду перетворень та з урахуванням параметрів лазерної обробки оцінили температуру і глибину дисоціації нітридів, які дорівнюються 6250С і 0,5мм відповідно.

9. Проведено промислове випробовування та впровадження метода електроіскрового відновлення деталей сільськогосподарської техніки і обладнання, що підтвердило ефективність виконаних розробок і забезпечило фактичний економічний ефект в розмірі 139,54тис. грн. на рік. Очікуваний економічний ефект від розширення номенклатури та обсягів впровадження складе 6,205млн. грн.

Основні положення дисертації опубліковані в таких роботах

1. Мартыненко А.Д., Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Хохлов А.Т., Триполко В.К., Триполко П.К. Разработка технологического процесса повышения твердости стали 30Х13.// Сб. тр. Научно-практической конф.: "Концентрированные потоки энергии в обработке и соединении материалов". - Пенза: Издательство ПРДЭНТП, 1991. - С.80-82. (Здобувачем проведені експериментальні дослідження та узагальнені матеріали експериментів).

2. Мартыненко А.Д., Науменко А.А., Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Иванов В.И. Влияние химического состава и пластической деформации на склонность к графитизации высокоуглеродистых сплавов // Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин: Сб. науч. тр. / ХГТУСХ. - Харьков, 1996. - С.56-62. (Автором проведені дослідження по впливу високотемпературної деформації на графітизацію, узагальнені матеріали).

3. Мартыненко А.Д., Науменко А.А., Скобло Т.С., Сидашенко А.И. Механизм износа плунжеров роторных насосов // Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин: Сб. науч. тр. / ХГТУСХ. - Харьков, 1996. - С.28-32. (Здобувачем проведено збір і узагальнення інформації і результатів досліджень).

4. Мартыненко А.Д. Исследование распределения химических элементов в слое после электроискровой обработки // Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин: Сб. науч. тр. / ХГТУСХ. - Харьков, 1997. - С.140-146.

5. Мартыненко А.Д., Скобло Т.С., Сидашенко А.И. Исследование влияния химического состава анода на величину и качество слоя, восстановленного электроискровым методом // Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин: Сб. науч. тр. / ХГТУСХ. - Харьков, 1997. - С.75-81. (Автором запропонована та обгрунтовано схему експерименту, виведена математична залежність, побудовані графічні залежності).

6. Мартиненко О.Д., Науменко А.А., Скобло Т.С., Сідашенко О.І. Вплив параметрів обробки та електродного матеріалу на якість та властивості відновленого шару методом електроіскрового нарощування // Перспективы развития механизации, автоматизации и технического сервиса сельскохозяйственного производства: Сб. тр. ІІ науч. - пр. конф. / ПГСИ. - Полтава, 1997. - С.32 - 35. (Автором проведені експерименти по впливу параметрів обробки на формування нанесеного шару).

7. Мартиненко О.Д. Дослідження впливу параметрів ЕІО на формування нарощувального шару та стійкість анода // Актуальні проблеми природничих і гуманітарних наук: Зб. доповідей молодих вчених. / ПДСГІ. - Полтава, 1997. - С.275-281.

8. Мартыненко А.Д., Науменко А.А., Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Полищук И.В. Изучение напряженного состояния наращенного слоя после ЄИО // Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин: Сб. науч. тр. / ХГТУСХ. - Харьков, 1999. - С.63-67. (Автором проведені експерименти по впливу параметрів обробки на формування нанесеного шару, побудовані графічні залежності).)

9. Мартыненко А.Д. Поверхностное упрочнение штоков методом ЄИО // Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин: Сб. науч. тр. / ХГТУСХ. - Харьков, 1999. - С.170-173.

10. Мартыненко А.Д., Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Слоновский Н.В. Способ восстановления и упрочнения деталей обработкой лазерным лучом // Підвищення надійності відновлюємих деталей машин: Вісник ХДТУСГ, вип. 4. / ХДТУСГ. - Харків, 2000. - С. 82-86. (Автором проведено комплекс досліджень по впливу параметрів лазерної обробки на розпад азотованого шару, зібрані та обгрунтовані матеріали досліджень).

11. Мартыненко А.Д., Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Хохлов А.Т., Рудюк А.С. Разработка технологии поверхностного упрочнения штоков // Информационный листок №128: // Харьковский ЦНТЭИ. - Харьков, 1993. - 0,40п.л. (Автором проведено комплекс досліджень, проведена модернізація обладнання, побудовані графічні залежності).

Анотація

Мартиненко А. Д. Відновлення деталей сільськогосподарської техніки методом електроіскрової обробки. Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук зі спеціальності 05.05.11 "Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва". Харківський державний технічний університет сільського господарства. Харків, 2001.

Розроблені технологічні параметри відновлення деталей сільськогосподарської техніки. Визначені ефективні матеріали аноду (які містять у собі хром) для відновлення деталей різноманітного призначення.

Рекомендовано здійснювати попередню термічну обробку деталей (відпал) для зняття наклепу та попередньої хіміко-термічної обробки. Розроблена математична модель, що описує вплив параметрів обробки і вміст компонентів аноду на якість шару, що нарощується

Комплексними дослідженнями оцінена кінетика зміни хімічного складу на протязі часу при нарощуванні шару. Запропонована розрахункова схема процесу утворення нерівностей та шорсткості. Оцінена залежність впливу струму іскрового розряду на діаметр одиничної лунки. Вивчені закономірності розподілу та склад фаз хімічних елементів по глибині і периметру шару, що нарощується.

Промислове випробовування та впровадження розробок забезпечило фактичний економічний ефект рівний 139,54 тис. грн.

Ключові слова: сільськогосподарська техніка, відновлення деталей, електроіскрова обробка, зношена поверхня, твердість, фазовий склад, вміст компонентів, приріст катоду, ерозія аноду, термічна обробка.

Мартыненко А.Д. Восстановление деталей сельскохозяйственной техники методом электроискровой обработки. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11-"Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства". Харьковский государственный технический университет сельского хозяйства. Харьков, 2001.

Разработаны технологические параметры восстановления деталей сельскохозяйственной техники и оборудования методом электроискрового наращивания. Определены эффективные материалы анода для восстановления деталей. В случае оставшегося после износа закаленного или химико - термически обработанного слоя, рекомендовано использовать метод обработки лазерным лучом.

Установлено, что число проходов электрода не должно превышать - трех. Упрочнение поверхности и повышение качества восстановленного слоя достигается обкаткой (нагрузка 30МПа). Использование разработанной технологии обеспечивает шероховатость поверхности Rz=0,63мкм и глубину упрочненного слоя до 0,8-1,0мм со средней микротвердостью до Н-100-550-570.

Разработана математическая модель, описывающая влияние основных параметров обработки и содержания наиболее значимых компонентов - углерода и хрома на качество наращиваемого слоя. Показано, что максимальный привес катода достигается при энергии импульса Еи=3,4Дж. Показано, что сплошность покрытия после трех проходов электрода составляет 91%, что обеспечивает качество восстанавливаемого слоя и производительность процесса.

Выявлено изменение концентраций компонентов катода с учетом их содержания в аноде. Определен промежуток, в период которого содержание химических элементов стабилизируется, и появляются новые азотсодержащие фазы за счет разложения компонентов воздуха.

Предложена расчетная схема процесса образования неровностей и шероховатости при электроискровой обработке. Оценена зависимость влияния тока искрового разряда на диаметр единичной лунки. При увеличении тока искрового разряда от 15 до 80А диаметр лунки возрастает с 0,3 до 1,4мм.

Для уменьшения шероховатости, повышения качества и глубины наращивания рекомендовано производить ППД. Для осуществления этой операции разработаны приспособление и предложены оптимальные параметры обработки. Изучены закономерности распределения и состав фаз химических элементов по глубине и периметру наращиваемого слоя.

Показано, что помимо a-Fе, g-Fе, спецкарбидов, карбонитридов в слое выявляются чистые элементы анода. Это подтверждает, что при обработке имеет место механизм переноса через межэлектродный промежуток атомов и ионов этих компонентов. С увеличением степени легированности и доли углерода в материале катода средняя глубина зоны термического влияния, начиная с 4-х проходов, существенно возрастает.

При использовании деталей, прошедших химико-термическую обработку (в частности азотирование), после эксплуатации частично сохраняется упрочненный слой, который должен быть удален или восстановлен перед проведением операции наращивания. Предложен метод восстановления азотированного слоя в штоках путем обработки лазерным лучом, который позволяет сократить объем механической обработки, а также наращивать слой, не нарушая прямолинейности длинномерных деталей.

Выполнено математическое обоснование режимов восстановления методом лазерной обработки деталей. В основу расчетов взято уравнение теплопроводности, учитывающее конвективные процессы и заданные краевые условия. На основе ряда преобразований и с учетом параметров лазерной обработки оценили температуру и глубину диссоциации нитридов, которые равны 6250С и 0,5мм соответственно. Экспериментальные исследования подтвердили справедливость полученных расчетов.

Промышленное опробование и внедрение метода электроискрового упрочнения и восстановления деталей сельскохозяйственной техники и оборудования подтвердило эффективность выполненных разработок и обеспечило фактический экономический эффект в размере 139,54тыс. грн. в год.

Ключевые слова: сельскохозяйственная техника, электроискровая обработка, изношенный слой, твердость, фазовый состав, содержание компонентов, прирост катода, эрозия анода, термическая обработка.

Martynenko A.D. Recovery of parts of agricultural machinery by using electro -spark treatment. The thesis for a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.20.01-"Machines and mechanisation of agricultural production". Kharkiv State Technical University of Agriculture. Kharkiv, 2001.

The technological parameters of details recovery have been developed. The effective chromium containing materials of the anode for the details recovery of various purposes have been determined.

It is recommended to execute preliminary thermal processing of details the burning for the removal of the hardening and preliminary chemical-thermal processing. The mathematical model describing the influence of processing and the contents of components on the quality of the buildup layer has been developed

The change kinetics of the chemical structure in time during the layer buildup has been evaluated by using complex investigations. The computational scheme of formation process asperitus is offered. The influence of spark discharge current the on diameter of a single hollow is determined. The objective laws of distribution and structure of phases of chemical elements in different depths and perimeters of the buildup layer are investigated.

Industrial tests and has provided an actual economical effect equal to 139,54 thousand grn. the application of the developed methods.

Key words: electro-spark processing, buildup layer, hardening, phase structure, contents of components, formation process asperitus, increment of the cathode, erosion of the anode, thermal processing.

Размещено на Allbest.ru

...