Повышение долговечности деталей сельскохозяйственной техники электромеханической обработкой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение долговечности деталей сельскохозяйственной техники электромеханической обработкой

Общая характеристика работы

электромеханический закалка сельскохозяйственный машина

Актуальность работы. Свыше 70% парка тракторов, около 50% зерноуборочных комбайнов, 50% автомобилей, 75% станочного оборудования работает за пределами нормативных сроков эксплуатации. Техническая готовность машин к работам ниже 70%, а нагрузка на технику превышает нормативную более чем в два раза. Изготовление и качественный ремонт сельскохозяйственной техники может быть обеспечен за счет эффективных способов упрочнения и восстановления деталей.

Несмотря на разнообразие сельскохозяйственной техники и разнотипность рабочих органов машин, конструктивно они состоят из деталей, имеющих унифицированные поверхности. На одной детали в различной комбинации могут находиться посадочные места под подшипники качения или скольжения, шпоночные и шлицевые поверхности, зубчатые и резьбовые профили, галтели и отверстия. Технические требования к износостойкости и прочности перечисленных поверхностей различные и добиться их только методами объемной закалки крайне затруднительно, даже в условиях машиностроительных предприятий.

Анализ условий эксплуатации и характерных дефектов сельскохозяйственных машин и технологического оборудования свидетельствует о низком качестве изготавливаемых деталей, прежде всего, по критериям износостойкости и прочности наиболее нагруженных поверхностей. В мастерских сельскохозяйственных предприятий широкая номенклатура изготавливаемых и восстанавливаемых деталей не подвергается термообработке, упрочняющей и отделочно-упрочняющей обработке изнашиваемых поверхностей.

В настоящей работе решена проблема технологического обеспечения и повышения долговечности машин за счет закалки, отделочно-упрочняющей обработки и восстановления наружных и внутренних поверхностей деталей электромеханической обработкой (ЭМО).

Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ФГОУ ВПО МГАУ 2005…2008 г.г. по теме «Применение ресурсосберегающих технологий. Повышение ресурса и надежности двигателей автомобилей, тракторов и сельскохозяйственной техники», Ульяновского сельскохозяйственного института 1986…1995 г.г. по теме “Cовершенствование механизированных процессов, обеспечивающих эффективность технического комплекса” (гос. рег. № 01.9.20.013689), ФГОУ ВПО Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии 1996…2000 г.г. по теме “Совершенствование машинно-технического комплекса, обеспечивающего эффективное функционирование механизированных процессов в сельскохозяйственном производстве”, ФГОУ ВПО Ульяновской ГСХА 2001…2005 г.г. по теме “Разработка технологий, средств механизации и технического обслуживания энергосберегающих процессов производства и переработки продукции сельского хозяйства”.

Цель работы: разработка теоретических основ, методов и технических средств, обеспечивающих повышение долговечности деталей сельскохозяйственной техники электромеханической обработкой.

Объекты исследований: технологические процессы ЭМО и детали сельскохозяйственной техники (наружные и внутренние гладкие поверхности, резьбы, шлицы, шпоночные пазы, зубья шестерен и звездочек).

Предметом исследований являются новые способы электромеханического восстановления (ЭМВ), электромеханической поверхностной закалки (ЭМПЗ), отделочно-упрочняющей электромеханической обработки (ОУЭМО), электромеханического дорнования (ЭМД) поверхностей, позволяющие повысить физико-механические свойства и долговечность деталей.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- теоретические основы формирования геометрии и физико-механических свойств рабочих поверхностей деталей путем нагрева и одновременного выдавливания металла из нерабочей зоны, принудительного перемещения искаженного объема и пластического перераспределения материала поверхностей, изменения структуры и получения градиентных слоев поверхностного слоя деталей машин;

- закономерности формирования геометрии и физико-механических свойств поверхностей, с учетом условий эксплуатации, схем нагружения, позволяющих повысить долговечность деталей.

Научную новизну исследований составляют:

- теоретические основы ЭМВ наружной метрической резьбы вновь изготавливаемых и бывших в эксплуатации деталей с формированием номинальных геометрических параметров, ликвидацией микротрещин, получением благоприятной текстуры волокон металла и оптимальной шероховатости;

- теоретические основы электромеханического дорнования тонкостенных стальных втулок, позволяющие производить отделочно-упрочняющую обработку внутренних поверхностей и обеспечить, при этом, монтажный натяг в соединении «корпус - наружный диаметр втулки»;

- установлены зависимости физико-механических свойств восстановленных и упрочненных поверхностей от режимов их обработки;

- установлены закономерности влияния технологических параметров электромеханической обработки на структуру, фазовый состав, точность, механические и эксплуатационные свойства деталей.

Практическая значимость работы заключается в разработке технологий, оборудования, инструмента, оснастки, позволяющих на универсальном металлорежущем оборудовании производить закалку, отделочно-упрочняющую обработку, дорнование и восстановление деталей ЭМО.

Реализация результатов исследований. Технологические процессы, комплекты оборудования, инструментов и оснастки внедрены на предприятиях г. Ульяновска и Ульяновской области, г. Рязани, г. Тольятти, г. Перми, г. Чебоксары, НГДУ «Ямашнефть» ОАО Татнефть, г. Москвы и Московской области.

Для оказания научно-технической помощи предприятиям создана учебно-научно-производственная лаборатория электромеханической обработки, имеющая учебно-научно-исследовательский центр (ФГОУ ВПО МГАУ) и опытно-экспериментальное производство (ФГОУ ВПО Ульяновская ГСХА).

Разработки экспонировались: в Межотраслевом центре научно-технической информации “Ярмарка Большая Волга”, Ульяновск; в выставочном центре “Пермская ярмарка”, Пермь; на научно-промышленном форуме “Россия единая”, Нижний Новгород; на агропромышленных выставках “Золотая осень” 2005-2008 г.г.; в Международном выставочном центре «Крокус Экспо», М., 2006 г.; «Архимед-2007» в культурно-выставочном центре «Сокольники» М., «Металлообработка 2008» в центральном выставочном комплексе «Экспоцентр», М.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс ФГОУ ВПО МГАУ при изучении дисциплин “Материаловедение”, “Технология конструкционных материалов”, ФГОУ ВПО Ульяновская ГСХА при изучении дисциплин “Надежность и ремонт машин”, “Метрология, стандартизация и сертификация”.

Апробация работы. Результаты исследований и положения диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на 42 научных конференциях, совещаниях и семинарах, основными из которых являются: НТК стран-членов СЭВ “Современное оборудование и технологические процессы для восстановления и упрочнения деталей машин”, Пятигорск, 1988 г.; НТК “Разработка и промышленная реализация новых механических и физико-химических методов обработки”, МВТУ им. Н.Э. Баумана, М.: 1988 г.; НТК “Методы и технические средства обеспечения надежности сельскохозяйствен-ной техники”, НПО ВИСХОМ, М.: 1988 г.; вторая Международная НТК “Новые технологии в машиностроении”, Харьков-Рыбачье, 1993 г.; НТК “Состояние перспективы восстановления и упрочнения деталей машин”, НПО “Ремдеталь”, М.: 1994 г.; Международная НТК “Проблемы повышения качества машин”, Брянск, 1994 г.; II Международная НТК “Современные научно-технические проблемы транспорта России”, Ульяновск, 2002 г.; Международная НПК посвященная 75-летию ФГОУ ВПО МГАУ «Актуальные проблемы агроинженерной науки», М.: 2005 г.; Международная НТК «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» ГОСНИТИ, М.: 2005 г.; Международная НПК «Научные проблемы и перспективы развития восстановления и упрочнения деталей, ремонта, обслуживания машин, работающих в сельском хозяйстве», ФГОУ ВПО МГАУ, 2006 г.; ХIII Международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», М.: 2007 г.; Международная конференция выставка «Металлообработка 2008», «Российское инновационное станкостроение. Комплексные технологии. Наука. Производство» М.: Экспоцентр.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 84 научные работы, в том числе монография объемом 8,06 п.л. Получено два авторских свидетельства, 21 патент и три положительных решения на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений, содержит 246 страниц машинописного текста, 108 рисунков, 17 таблиц.

Содержание работы

1. Состояние проблемы и задачи исследований

Повышение эффективности сельскохозяйственного производства неразрывно связано с разработкой новых теоретических положений, технологий, способов восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей машин. Повышением качества ремонта сельскохозяйственной техники занимались Д.Г. Вадивасов, М.Н. Ерохин, В.А. Евграфов, В.М. Кряжков, В.Ф. Карпенков, В.В. Курчаткин, П.П. Лезин, Е.А.Лисунов, В.П.Лялякин, А.М. Михальченков, Н.Н. Рыкалин, А.И. Селиванов, В.В. Стрельцов, Е.А. Пучин, Н.Ф. Тельнов, И.Е.Ульман, В.А. Шадричев и другие ученые. Способы повышения износостойкости и прочности деталей объемной термической обработкой не обеспечивают требуемых свойств наиболее нагруженных поверхностей (рисунок 1). Применение объемной термической обработки в условиях ремонтного производства сельскохозяйственных предприятий, при изготовлении или восстановлении широкой номенклатуры единичных деталей, технологически сложно и экономически, зачастую, нецелесообразно.

Рисунок 1 - Распределение износов и дефектов поверхностей деталей машин (в процентах от общего объема): 1 - износ валов под подшипники качения; 2 - износ наружных и внутренних цилиндрических поверхностей; 3 - повреждение резьбы наружной; 4 - износ валов под подшипники скольжения; 5 - износ шпоночных пазов; 6 - износ шлицев; 7 - повреждение зубчатых профилей; 8 - износ зубьев звездочек; 9 - повреждение резьбы внутренней; 10 - износ плоских поверхностей; 11 - износ режущей кромки ножей и решеток; 12 - остальные

Вопросу повышения надежности и долговечности резьбовых соединений посвящены работы Н.Е. Жуковского, И.А. Биргера, Г.Б. Иосилевича, М.И. Писаревского, Э.В. Рыжова, А.И. Якушева, В.Г. Якухина, А.В. Поляченко и других ученых. Низкое качество резьбы, изготовленной в условиях машиностроительных предприятий, приводит к ее износу и необходимости восстановления деталей в условиях мастерских организаций, эксплуатирующих технику. В зависимости от характера дефекта, технологических возможностей предприятий восстановление деталей с резьбой производится способами сварки, наплавки, припекания проволоки или ленты, нарезанием резьбы ремонтного размера, постановкой дополнительной детали, заменой части детали, прогонкой дефектной резьбы резьбонарезающим инструментом. Вышеперечисленные способы восстановления деталей с резьбой основаны на формировании геометрии резьбового профиля методами резания, без обеспечения требуемых свойств по твердости, шероховатости и текстуре волокон металла.

Снижению металлоемкости и повышению качества поверхностей при изготовлении втулок посвящены работы Ю.Г. Проскурякова, О.А. Розенберга, В.П. Монченко и других ученых, разработки которых находят свое успешное применение при изготовлении и восстановлении деталей автомобилей, тракторов и другой техники.

Решению проблем повышения качества сложнопрофильных поверхностей (шлицевых, шпоночных, зубчатых) посвящены работы В.В. Лапина, М.И. Писаревского, В.В. Самсонова, М.В. Барбарич, М.В. Хоруженко, Ю.П. Мазуренко, Ю.И. Сизова и других ученых.

Значительная часть исследований, выполненных ведущими российскими и зарубежными учеными, направлена на повышение качества поверхностей деталей машин и может быть реализована только в условиях предприятий машиностроения и станкостроения. Причем по целой группе поверхностей деталей, таких как резьба, шлицы, шпоночные пазы, зубчатые профили, галтели, тонкостенные втулки, длинномерные детали, посадочные места валов под подшипники качения и скольжения, даже предприятия машиностроения не обеспечивают высокого качества.

Результаты исследований, выполненные Б.М. Аскинази, Ю.Д. Александровым, В.П. Багмутовым, А.И. Бражюнас, А.В. Гурьевым, В.К. Ильиным, Э.В. Рыжовым, А.Г. Сусловым, В.П. Пономаренко, Л.В. Федоровой, С.Ю. Элькиным указывают на высокую эффективность восстановления и упрочнения деталей с использованием электромеханической обработки. ЭМО отвечает современным тенденциям развития технологии изготовления и восстановления деталей, так как обеспечивает энерго и ресурсосбережение, значительное сокращение длительности процессов, улучшает безопасность и экологичность производства и позволяет получить свойства поверхностей, не обеспечиваемые объемной термической обработкой.

Для решения поставленной цели сформулированы задачи исследований:

1. На основе анализа условий эксплуатации, схем нагружения и характерных дефектов поверхностей деталей машин обосновать возможность применения электромеханической обработки при упрочнении и восстановлении деталей.

2. Теоретически обосновать возможность электромеханического восстановления изношенной резьбы за счет принудительного перемещения металла из нерабочей зоны на изношенные поверхности, а также термомеханического воздействия на деформированные участки винтового профиля при восстановлении геометрии и улучшении физико-механических свойств.

3. Исследовать формирование геометрических и точностных параметров, текстуры металла и физико-механических свойств исходя из условий эксплуатации резьбовых соединений.

4. Теоретически обосновать возможность восстановления посадочных мест валов под подшипники качения способами электромеханической обработки.

5. Разработать и исследовать способы повышения долговечности внутренних поверхностей электромеханической поверхностной закалкой и электромеханическим дорнованием.

6. Разработать и рекомендовать ремонтному производству технологию электромеханической поверхностной закалки гладких цилиндрических, шпоночных и шлицевых поверхностей, зубчатых профилей шестерен и звездочек.

7. Внедрить технологические процессы ЭМПЗ, ОУЭМО, ЭМД, ЭМВ деталей машин и дать технико-экономическую оценку результатов внедрения в производство.

Теоретические основы закалки, отделочно-упрочняющей обработки и восстановления деталей электромеханическим способом

На предприятиях АПК при изготовлении и восстановлении деталей, необходимо разработать стратегию управления ресурсом машин и решать задачи повышения износостойкости, предела выносливости, контактной прочности наиболее нагруженных и быстроизнашивающихся поверхностей.

ЭМО является особым способом контактной обработки поверхностей высококонцентрированным источником электрической энергии, объединяющим в единой технологической схеме силовое и термическое воздействие инструмента на деталь, что позволяет формировать уникальные свойства поверхностного слоя деталей. Основными факторами, влияющими на качество поверхности при ЭМО (F_эмо) являются температурные Х₁, временные Х₂, скоростные Х₃, силовые Х₄, технологические Х₅ характеристики: F_эмо = f (Х₁, Х₂, Х₃, Х₄, Х₅) > max (1)

ЭМО осуществляется инструментом, деформирующие элементы (ДЭ) которого взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью по схемам качения, скольжения или внедрения. На этих элементарных схемах или их сочетании основаны все методы ЭМО:

- отделочно-упрочняющая электромеханическая обработка;

- электромеханическая поверхностная закалка;

- электромеханическое дорнование;

- электромеханическое восстановление.

ОУЭМО - это финишный способ обработки поверхностей деталей без снятия стружки, при котором в единой технологической схеме осуществляются поверхностная закалка и поверхностное пластическое деформирование.

При ЭМПЗ инструментальный ролик ДЭ прижимается к поверхности детали с фиксированной силой (Р), перемещается относительно нее, совершая при этом вращение вокруг своей оси. В зоне контакта ролика с обрабатываемой поверхностью происходит нагрев контактной поверхности детали и возникает очаг пластической деформация. Размеры зоны деформирования и нагрева поверхности зависят от технологических факторов обработки: усилия прижатия инструмента к детали, формы и размеров ролика, подачи, твердости обрабатываемого материала, режимов обработки и др.

Разработаны две операции ЭМПЗ деталей: предварительная и финишная. В процессе предварительной ЭМПЗ обеспечивается структура и твердость поверхности, а геометрия и шероховатость формируется на последующих операциях. Финишная ЭМПЗ предназначена для поверхностей деталей не предъявляющих высоких требований к изменению геометрии и шероховатости ранее полученной поверхности.

При ЭМО наибольшее значение на формирование структуры и, как следствие, свойств поверхностного слоя деталей оказывает температура в зоне контакта «инструмент - поверхность», получаемая в результате преобразования электрической и механической энергии в тепловую. Анализ теплового баланса показал, что общее количество тепла при ЭМО складывается из тепла, выделяемого проходящим электрическим током Q₁ и тепла от трения инструмента об обрабатываемую поверхность Q₂:

Q_ЭМО = Q₁ + Q₂, (2)

С учетом потерь во вторичной электрической цепи Q₁ равно:

Q₁ = 0,24 з I U ф, (3)

где з - коэффициент, учитывающий потери электрического тока во вторичной цепи; I - сила тока во вторичной цепи, А; U - напряжение вторичной цепи, В; ф - время обработки, с.

Величина з определяется по формуле:

з = з₁ з₂ з₃ з₄ з₅ (4)

где з₁, з₂, з₃, з₄, з₅ - коэффициенты, учитывающие потери электрического тока соответственно во вторичной цепи силового трансформатора установки, в силовых токоподводящих кабелях, в местах соединения силового кабеля и токоподводящих наконечников, в технологической оснастке, в инструментальной оснастке.

Величина Q₂ определяется по формуле:

Q₂ = Р_и H f_cк /102, (5)

где Р_и - усилие в зоне контакта инструмент-поверхность при ЭМО; Н - высота высокотемпературной зоны; f_cк - коэффициент трения скольжения при установившемся процессе.

Общее количество тепла, выделенного в зоне контакта, определяется по формуле:

Q_ЭМО = (Р_и H f_cк /102) + (0,24 з I U ф) (6)

Количество тепла Q_т, поглощаемого в высокотемпературной зоне обрабатываемой поверхности детали и инструмента за время обработки ф:

Q_Т = [(Р_и H f_cк /102) + (0,24 з I U ф)] k_д k_и, (7)

где k_д,k_и - коэффициент, учитывающий отвод тепла соответственно в деталь и инструмент.

С другой стороны, исходя их метода теплового баланса:

Q_Т = g С Т_т, (8)

где g = Н д В г - масса высокотемпературного объема ,г; С - удельная теплоемкость металла , кал/г єС; Т_т - температура фазовых превращений металла, ^оС; В - ширина высокотемпературной зоны, см; д -глубина зоны закалки, см. ; г - удельный вес, г/см.³

Следовательно,

Q_Т = Н д В г С Т_т (9)

Приравнивая одно значение Q_Т к другому получим:

[(Р_и H f_cк /102) + (0,24 з I U ф)] k_д k_и = Н д В г С Т_т (10)

Зависимость (10) справедлива для способов ОУЭМО и ЭМПЗ с получением структуры закалки и позволяет определить значения д, Р_и, ф исходя из экспериментально установленных режимов обработки.

Для обеспечения закалки при ЭМО необходимо выполнение следующих условий (11-14):

1. Температура нагрева поверхности детали в зоне контакта Т_Н должна быть больше, чем температуры нагрева материала для объемной закалки Т_О ; Т_Н >Т_О (11)

2. Время обработки ф должно быть достаточным, чтобы обеспечить время ф_т для термомеханического изменения обрабатываемой поверхности детали; ф ₌ ф_т (12)

3. Скорость охлаждения х_о должна быть больше или равна скорости, обеспечивающей закалку х_з поверхности детали; х_о ? х_з (13)

4. Усилие Р_и в зоне контакта инструмента с поверхностью детали должно обеспечить протекание термомеханического эффекта Р_т; Р_и = Р _т (14)

В зависимости от величины износа и характера дефекта поверхности электромеханическое восстановление производится по одной из схем:

1. Восстановление геометрии и улучшение свойств за счет фазовых изменений структуры поверхности детали, связанное с превращениями Fe_г>Fe_б.

2. Восстановление геометрии за счет пластического перераспределения материала со свободных на исполнительные поверхности детали.

3. Восстановление геометрии искаженных поверхностей с одновременным улучшением физико-механических свойств.

4. Восстановление поверхностей за счет фазовых изменений структуры и переноса инструментального материала на деталь.

Электромеханическое восстановление посадочных мест валов под подшипники качения

Основанием для повышения износостойкости посадочных мест валов под подшипники качения является меньшая их твердость (48…54 HRC) при изготовлении и крайне низкая твердость (18…24 HRC) при их восстановлении, по сравнению с твердостью внутреннего кольца подшипника (60…64 HRC).

В условиях все возрастающей напряженности работы сельскохозяйственной техники, повышения ее мощности и скорости перемещения, а также в связи с поступлением на российский рынок дорогостоящих зарубежных тракторов, комбайнов и сельхозмашин проблема качественного ремонта посадочных мест валов под подшипники качения становится все более важной.

При посадке подшипника на вал с натягом обеспечивается неподвижность соединения. Расчетное значение натяга (N_расч) назначается из условия:

N_расч = N_min + 1,2(Rz_D +Rz_d), (15)

где N_min = d_min - D_max - минимально рекомендуемый натяг в посадке, зависящий от минимального диаметра вала d_min и максимального диаметра отверстия D_max ; Rz_D, Rz_d - высота микронеровностей, соответственно для отверстия внутреннего кольца подшипника качения и вала.

Зависимость (15) предполагает, что при запрессовке изменение шероховатости вала и отверстия составит до 60% от исходной высоты микронеровностей. Однако при запрессовке вала, имеющего меньшую твердость по сравнению с внутренним кольцом подшипника, происходит пластическое изменение микронеровностей, что приводит к уменьшению величины требуемого натяга. По результатам исследований Е.Ф.Бежелуковой, в посадке с натягом, величина смятия (?Rz) исходных микронеровностей отверстия и вала, определяется по формуле:

?Rz = 2 (k_п Rz_D +k_в Rz_d), (16)

где k_п = 0,1…0,2 коэффициент, учитывающий величину смятия микронеровностей подшипника; k_в = 0,6…0,8 коэффициент, учитывающий величину смятия микронеровностей вала.

Зависимость (16) предполагает изменение высоты микронеровностей отверстия подшипника на величину до 20% (ШХ 15, 58…62 HRC), а вала с твердостью 48…54 HRC - до 80% от первоначальной.

При ремонте сельскохозяйственной техники часто используют валы и подшипники качения бывшие в эксплуатации. Повторное использование валов и подшипников качения возможно при условии, что размер посадочного места вала под подшипник качения должен быть увеличен на величину изменения микронеровностей деталей после запрессовки - распрессовки соединения. Суммарное изменение микронеровностей после запрессовки подшипника на вал не превышает величины 12…15 мкм (при Rz_d = 20 мкм и Rz_D = 5 мкм).

Одной из причин нарушения работы соединения вал-внутреннее кольцо подшипника является также ослабление натяга при эксплуатации из-за изменения микрогеометрии тел качения и беговых дорожек колец. Для повторного использования подшипников качения необходимо также компенсировать изменение микронеровностей тел качения (Rz_тк) и беговых дорожек (Rz_бд) наружного и внутреннего колец на величину изменения микронеровностей подшипника качения

(?Rz _пк ): ?Rz _пк = 2 k_п (Rz_тк + 2Rz_бд) (17)

Для реализации условия (15), с учетом зависимостей (16) и (17) в случае повторного использования валов и подшипников качения необходимо компенсировать уменьшение размеров поверхностей (?Rz _с) по зависимости (18):

?Rz _с = 2 (k_п Rz_D + Rz_тк +2 Rz_бд ) + 2k_в Rz_d (18)

Учитывая тот факт, что подшипники качения являются стандартными изделиями, для которых изменения размеров не допускаются, компенсировать суммарное изменение размеров поверхностей (?Rz _с) возможно только за счет увеличения размера вала.

В результате ЭМПЗ происходит изменение структуры поверхностного слоя и, как следствие, размера вала (d).

d= k d_заг c/ (Rz_заг. - Rz_дет.), (19)

где k =1,046 - коэффициент, учитывающий изменение размера поверхности вала из-за фазовых превращений Fe_г>Fe_б; с - коэффициент, учитывающий влияние числа рабочих ходов инструмента; Rz_заг и Rz_дет - высота микронеровностей до и после ЭМПЗ.

Подбор режимов, инструментального материала и схемы обработки позволил при ЭМПЗ исключить изменение микронеровностей (Rz_заг= Rz_дет) и восстановить поверхность за счет фазовых превращений металла и переноса инструментального материала на обрабатываемую поверхность детали. Увеличение размера поверхности детали при этом, зависит от интенсивности образования мартенситной структуры Fe_г>Fe_б в поверхностном слое детали, глубины закалки (д) и величины переноса инструментального материала h _и.м.

?d = f (Fe_г>Fe_б , д, h _и.м) (20)

Электромеханическое восстановление наружной метрической резьбы

Исследование возможности применения ЭМВ резьбы проводили по схеме: определение объема металла и возможность его принудительного перемещения для компенсации изношенного; обоснование энергосиловых параметров процесса; расчет запаса прочности стержня болта при уменьшении внутреннего диаметра резьбы; выбор технологической схемы обработки с разработкой оборудования, инструмента и оснастки для конкретных деталей.

В общем случае ЭВМ резьбы возможно, когда объем металла (V_В), необходимого для восстановления номинальной геометрии больше или равен объему изношенного металла (V_И): V_В ?V_И (21)

При существующих способах восстановления резьбы за объем изношенного металла принимается металл деформированного профиля (V_деф) и объем удаленного с поверхности материала V_УД (рисунок 2):

V_И = V_деф + V_УД (22)

Рисунок 2 - Характерный дефект наружной метрической резьбы

Необходимый для ЭМВ резьбы объем металла (V_В) складывается из объема металла во впадине (V_ВП) и объема деформированного материала (V_деф):

V_В = V_деф + V_ВП (23)

Рисунок 3 - Формы впадины наружной метрической резьбы

В свою очередь (рисунок 3),

V_ВП = V₁ +V₂+ V₃ + V₄ (24)

где V₁ - объем металла, расположенный между профилем основания с радиусом R_max= 0,18Р и плоской формой впадины; V₂ - объем металла, расположенный между профилем плоского основания и радиусом впадины ; V₃ - объем металла, расположенный при изменении радиуса от до ; V₄ - объем металла при специальном радиусе впадины резьбы R_спец. ; Р - шаг резьбы.

Таблица 1. Площадь и объем металла во впадине метрической резьбы болта

Радиус впадины	Наименование показателей	Шаг резьбы P, мм
		1,00	1,25	1,5	1,75	2,00	2,5
Rmin=0,108 P Rmax=0,144 Р	Площадь F, мм2	0,0112 0,0149 0,0253 0,0344 0,0449 0,0702 0,0703 0,1167 0,2387 0,3786 0,5642 1,1030 0,0217 0,0340 0,0489 0,0665 0,0869 0,1357 0,1336 0,2669 0,4606 0,7310 1,0910 2,1300
	Объем VВП, мм3
Rmin=0,108 P Rmax=0,18 Р	Площадь F, мм2
	Объем Vвп, мм3

ЭМВ дефектного профиля резьбы основано на пластическом перераспределении материала детали нерабочих поверхностей впадины (таблица 1) и искаженных участков резьбы. К числу неконтролируемых параметров резьбы относят допуск по внутреннему диаметру Td₁ и диаметр по дну впадины d₃, поэтому эти размеры могут быть изменены при обработке. Для перераспределения материала из впадины резьбы необходимо довести его до пластического состояния и приложить нагрузку способную переместить необходимый объем в требуемом направлении.

Для определения усилия внедрения инструмента (рисунок 4) и формирования полного профиля резьбы используем формулу:

Р = Р₁ + Р₂ + Р₃ (25)

где Р₁ - усилие, необходимое для выдавливания металла из зоны основания резьбы; Р₂ - усилие, необходимое для перемещения металла вдоль боковых поверхностей инструмента и формирования геометрии резьбы; Р₃ - усилие, воспринимаемое инструментом при формировании вершины резьбы

Решая зависимость (25) вычислением дифференциального уравнения, с учетом условия пластичности и эффекта ЭМО, определим усилие при выдавливании металла из впадины резьбы Р₁ (рисунок 5). В зоне 1 происходит внедрение инструмента в нагретый до высокой температуры пластичный металл впадины резьбы, который вытесняется вершиной инструмента и перемещается вдоль боковых поверхностей инструмента в образовавшийся зазор между инструментом и дефектной поверхностью профиля резьбы.

Р₁=l_впk_хk_п[1+(0,2Н/h')+1,1lnS_в^//Н], (26)

где l_вп - длина периметра контакта по впадине резьбы; - напряжение текучести с учетом ЭМО, ; k_х=1,2…1,6 -скоростной коэффициент высокотемпературного воздействия инструмента; k_п - переходный коэффициент; S_в^/ - ширина зоны высокотемпературного воздействия во впадине резьбы.

Рисунок 4 - Схема к определению усилия Рисунок 5 - Схема определения усилия внедрения инструмента при ЭМВ резьбы выдавливания металла из впадины резьбы



Рисунок 6 - Схема определения усилия для перемещения металла вдоль боковых поверхностей резьбы

Усилие Р₂ и напряжение при перемещении металла во второй зоне (рисунок 6) определим по зависимостям (27) и (28):

, (27)

где l_б - длина боковой поверхности резьбы; h - высота профиля резьбы после восстановления; = 60 - угол наклона грани инструмента.

(28)

В случае, если инструмент выполняется с прямолинейными уступами, сила, действующая на основание инструмента при полном формировании профиля метрической резьбы, определяется выражением (29):

 (29)

Так происходит исправление деформированного участка профиля, формирование впадины и номинального типоразмера резьбы при электромеханическом восстановлении.

Общая методика исследований

Теоретические исследования применения ЭМО проводили с учетом особенностей способов ЭМПЗ, ОУЭМО, ЭМД и ЭМВ деталей, учитывающих соединение в единой технологической операции силового и термического воздействия инструмента на обрабатываемую поверхность.

Экспериментальные исследования выполняли на разработанном и изготовленном оборудовании (рисунок 7) и технологической оснастке с применением общих и частных методик.

В исследованиях применяли инструмент (пластины и ролики) из твердого сплава (рисунок 8) марки ВК6, Т15К6, КНТ 16, бронзы ОЦС 3-5-5, БрАЖ, БрБ2. Выбор материала объясняется достаточной его стойкостью и прочностью при высоких температурах. При изготовлении инструмента контролировали его геометрические параметры на приборе УИМ - 21.

Рисунок 7 - Установки для электромеханической обработки

Для проведения исследований использовали оптические микроскопы «Neophot - 21», «Axiovert 40 MAT» фирмы «Carl Zeiss», Германия. Измерения твердости и микротвердости проводили с помощью автоматического микротвердомера DM - 8 «Affri» с цифровым дисплеем, Италия; микротвердомера ПМТ - 3, Россия, твердомера ультразвукового МЕТ - У1 (ТУ 4271-001-18606393-00). Запись и обработку информации проводили с использованием видеокамеры Maxiro TC - 300, персонального компьютера и современных программных средств.

Рисунок 8 - Инструментальная пластина и ролик для электромеханической обработки

Испытания на усталость проводили в конструкторско-исследовательском отделе НТЦ АО КамАЗ по ГОСТ 23026-78. Исследования выполняли на профилографе типа VP-30 (Япония), сервогидравлическом стенде МТS 966.01 (США) в специальных втулках. Исследовали резьбы М18х1,5 - 6g шпильки межколесного дифференциала (сталь 20Г2Р) с увеличенной формой впадины. Значение радиуса впадины резьбы экспериментальных шпилек выполнялось равным 0,20 мм, 0,25 мм и 0,30 мм. Сравнение производили с серийными шпильками производства ОАО «Белебеевский завод автонормалей».

Испытания на срез резьбы и прочность стержня болта шатунного (деталь 13-1004062-Б, М10х1-4h, сталь 40ХН) автомобилей семейства УАЗ и ГАЗ проводили в условиях ЦЗЛ ОАО “Волжские моторы” г. Ульяновска на разрывной машине Р-20.

Испытания на износостойкость проводили на машине трения 2070 СМТ-1 по схеме «ролик - колодка». Колодки изготавливали из исследуемых втулок, а ролики из высокопрочного чугуна ВЧ 80. В индустриальное масло И-Г-А-46, находящееся в картере машины трения, добавляли 5% (по весу) кварцевой пыли. Гранулометрический размер кварцевой пыли 0,1 - 0,005мм. Сравнительную оценку изнашиваемости исследуемых образцов осуществляли по суммарной интенсивности изнашивания ролика и колодки.

Электромеханическое дорнование тонкостенных стальных втулок производили на вертикально-фрезерном станке модели 6Р11 с автоматическим перемещением платформы в вертикальном направлении, что позволяло изменять скорость электромеханического дорнования в исследуемых интервалах. Температуру в зоне трения фиксировали при помощи термопары.

Структура поверхности, фазовый состав, величина и знак остаточных напряжений после электромеханического упрочнения исследовались в лаборатории электронной микроскопии Ульяновского государственного технического университета на приборе ДРОН-3.

Металлографические исследования проводили в лабораториях ОАО «Мотовилихинские заводы» г. Пермь, ОАО «УАЗ» г. Ульяновск, ОАО “Волжские моторы” г. Ульяновск, ОАО «Газпромтрубинвест» г. Кострома.

Эксплуатационные испытания проводили на предприятиях и в хозяйствах г. Ульяновка и Ульяновской области, г. Пермь, г. Москва и Московской области, г. Тольятти, г. Альметьевска, НГДУ «Ямашнефть» ОАО Татнефть.

Результаты экспериментальных исследований и их анализ

Способы электромеханического восстановления наружной метрической резьбы

В данном разделе на основе конструктивных факторов, условий эксплуатации и схем нагружения резьбовых соединений определены технологические факторы (Х₅) при ЭМВ наружной метрической резьбы:

Х₅= х_т1 х_т2 х_{т 3} х_{т 4} х_т5 х_т6 х_т7 х_т8 х_т9 > max, (30)

где х_т1 - геометрические параметры; х_{т 2} - показатели точности; х_{т 3} - шероховатость; х_{т 4} - механические свойства; х_т5 - физические свойства; х_т6 - химические показатели; х_т7 - технологические параметры; х_т8 - текстура волокон металла; х_т9 - структура поверхностного слоя и нижележащих слоев металла.

В зависимости от характера дефекта ЭМВ резьбы производится либо за один ход, либо за два. При износе витков резьбы в виде искажения их формы (рисунок 9), восстановление (рисунок 10) заключается в следящем термомеханическом воздействии инструмента с углом профиля =60° и радиусом при вершине R=0,108Р. При этом инструмент перемещается по впадине дефектной резьбы. Происходит выдавливание металла из впадины резьбы и исправление деформированного металла боковых поверхностей.

Рисунок 9 - Износ метрической резьбы

Рисунок 10 - Схема ЭМВ резьбы при VВ=Vдеф. М14х1,5штуцера нажимного ТНВД

При ЭМВ резьбы с увеличенным радиусом основания R=(0,144...0,3)Р обработку ведут за два хода (рисунок 11.). Первый ход производится инструментом с углом профиля ₁=50...55°. При втором ходе инструментом с углом профиля =60° и радиусом закругления R=0,144Р происходит формирование боковых рабочих поверхностей витков резьбы.



Рисунок 11 - Дефектный профиль резьбы и схема ЭМВ резьбы за два хода

В случае, когда объем изношенного металла складывается из материала удаленного с поверхности и искаженного профиля, возможно восстановление резьбы специальным инструментом (рисунок 12). Особенностью инструмента является специальная форма вершины. Угол профиля боковых поверхностей выполняется равным =60°.

Рисунок 12 - Схема ЭМВ резьбы инструментом специальной формы

ЭМВ резьбы Сп М10х1-4h болта шатунного позволяет воспроизвести геометрические параметры и увеличить прочность витков резьбы на срез до 43 кН т.е. повысить нижний предел на 4…5% в сравнении с серийными деталями. Восстановленные детали можно применять на предварительных стадиях сборки шатуна с крышкой внутри ремонтного предприятия. При окончательной сборке двигателя, восстановленные шатунные болты следует заменить на серийные. Это позволит повысить качество сборки и надежность двигателя, т.к. в условиях предварительной сборки резьбового соединения происходит деформирование 3…4 витков резьбы болта со стороны опорной поверхности гайки.

а)

б)

Рисунок 13 - Фрагмент резьбы М14х1,5

Рисунок 14 - Зависимость микротвердости от штуцера нажимного дефектного (а) глубины по сечению среднего диаметра резьбы и после ЭМВ (б) штуцера нажимного серийного-1 и после ЭМВ-2

При ЭМВ резьбы М14х1,5 штуцера нажимного ТНВД восстанавливаются геометрические параметры резьбы (рисунок 13) и повышаются физико-механические свойства (рисунок 14).

Электромеханическая поверхностная закалка наружных цилиндрических поверхностей

ЭМПЗ (рисунок 15) основана на высокотемпературном нагреве контактной зоны детали до температуры 950…1100 ^оС, незначительной выдержке и быстром охлаждении поверхности. Основным источником нагрева поверхности является проходящий через зону контакта вращающегося инструментального ролика 2 и поверхности детали 1, электрический ток вторичной цепи 4 установки 3. Силовое воздействие при ЭМПЗ незначительно и продиктовано необходимостью создания непрерывного контакта в зоне инструментального ролика и поверхности детали.

а) б)

Рисунок 15 - Принципиальная схема (а) и фрагмент ЭМПЗ (б) гладких цилиндрических поверхностей: 1 - деталь; 2 - инструмент; 3 - установка; 4 - кабель токоподводящий

Закалке подвергали: посадочные места валов под подшипники качения, участки валов под ступицы шкивов и зубчатых колес, тонкостенные и маложесткие детали из конструкционных, инструментальных, специальных сталей (таблица 2) и чугуна.

Таблица 2. Результаты ЭМПЗ сталей

Марка стали	Твердость после обработки	Глубина закалки, мм
	HV, МПа	HRC
Сталь 20 Сталь 20Г2Р Сталь 22ГЮ Сталь 35 Сталь 40Х, 45 9ХС ШХ15 Сталь 60С2А Сталь 7ХНМ ХВГ У7 У10	4160 5050 5200 5400 6350 6600 6600 6580 6500 8930 6950 10000	42 48 49 50 58 60 60 60 60 67 62 69	0,5 1,2 0,6 1,5 2 2 1,5 2 2 2 2 2

Рисунок 16 - Изменение микротвердости по глубине поверхности после ЭМПЗ

Глубина закалки (определяется по зависимости 31) устанавливается исходя из технических требований к детали и может составлять 0,5…2 мм, при микротвердости поверхностного слоя 4160…8000 HV МПа (42…69HRC).

д = ( 0,24 з I U ф k_д k_и ) / Н В г С Т_т (31)

Особенностью ЭМПЗ является то, что максимальное значение твердости достигается на глубине 0,1…0,15 мм от обработанной поверхности детали (рисунок 16). Это обстоятельство необходимо учитывать при назначении припуска под окончательную обработку поверхностей.

Электромеханическая обработка отверстий

На основе технологии ЭМО разработаны следующие схемы обработки отверстий: ЭМПЗ (рисунок 17), электромеханическое дорнование (ЭМД). ЭМПЗ отверстий позволяет получать свойства характерные для закалки наружных цилиндрических поверхностей (таблица 2 и рисунок 16), с расчетом глубины закалки по зависимости (31).

Рисунок 17- Фрагмент ЭМПЗ отверстия и микроструктура поверхности (сталь 40Х)

При ЭМД (рисунок 18) через место контакта инструмента (дорна) 2 с отверстием втулки 3, установленной в корпусе 4, пропускается электрический ток большой силы и низкого напряжения. Зона контакта внутренней поверхности втулки нагревается до температуры 950…1000^оС. При перемещении инструмента 2 относительно обрабатываемой поверхности зона высокотемпературного воздействия распространяется последовательно по всей длине втулки 3. Учитывая, что длительность термомеханического цикла «нагрев-выдержка-охлаждение» составляет сотые доли секунды, при высокой скорости отвода тепла от поверхности во внутренние слои детали, происходит отделочно-упрочняющая обработка внутренней поверхности втулки. Твердость поверхностного слоя втулки из стали 40Х после ЭМД составляет 48…58 HRC, глубина упрочнения 0,03…0,18 мм (рисунок 19). Шероховатость поверхности после ЭМД уменьшается с R_а= 8,092 мкм, полученной черновым растачиванием, до R_а=0,322 мкм.



Рисунок 18 - Принципиальная схема ЭМД: 1 - вертикально-фрезерный станок; 2 - инструмент; 3 - втулка; 4 - корпус

Расчет глубины закаленного слоя (д) стальной втулки при ЭМД производим по формуле (32), а графическое изображение от режимов приведено на рисунке 20.

...