Повышение эксплуатационных характеристик деталей машин, восстановленных методом наплавки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение эксплуатационных характеристик деталей машин, восстановленных методом наплавки

Казинский А.А., Насад Т.Г.

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

Рассмотрены вопросы восстановления изношенных деталей, эксплуатируемых в транспортных системах. Новые технологии наплавки позволяют достигать заданных параметров качества с минимальными затратами и максимальной производительностью.

Ключевые слова: восстановление, транспортные системы, наплавка, структура наплавленного металла, концентрированные потоки энергии, присадочный материал, процесс кристаллизации

INCREASE OF OPERATIONAL CHARACTERISTICS OF DETAILS OF THE CARS RESTORED BY THE SURFACING METHOD

Kazinsky A.A., Nasad T.G.

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Questions of restoration of the worn-out details operated in transport systems are considered. New technologies of a surfacing allow to reach the set quality parameters with the minimum expenses and the maximum productivity.

Keywords: restoration, transport systems, a surfacing, structure of the built-up metal, the concentrated energy streams, additive material, crystallization process

В настоящее время для ремонта и восстановления деталей и узлов строительных и дорожных машин в основном применяют методы многоэлектродной сварки и наплавки в защитных средах. Номенклатура деталей достаточно разнообразна, начиная от крестовины карданных валов, шарниров до сателлитов дифференциала автомобиля.

Технологический процесс механической обработки деталей после наплавки включает, в основном, токарную обработку резцами с пластинами из сверхтвердых материалов. Заточку резцов для увеличения износостойкости и прочности выполняют с отрицательным передним углом 8-10 , положительным задним углом 10-15 и главным углом в плане 65-75. Технологический процесс также включает операции предварительного и чистового шлифования. Как правило, обработка таких деталей сопряжена с определенными трудностями из-за повышенной твердости обрабатываемого материала. В отдельных случаях применяется термообработка (отпуск), после чего становится возможным точение или фрезерование при достаточно низкой стойкости режущих инструментов.

Методы, совмещенные с процессами механической обработки в пластичном состоянии, а также способы управления составом и структурой наплавленного металла за счёт формирования комбинаций электродов и присадочных материалов, позволяют осуществлять перенос металла через концентрированный поток энергии - дугу при его нанесении. Интенсификация перечисленных процессов достигается за счёт применения ударных нагрузок, совмещения различных способов обработки концентрированными потоками энергии (КПЭ), применения порошковых и наноматериалов в качестве основного и присадочных материалов. Широко используются электрофизические методы обработки, такие как упругие колебания звукового и ультразвукового диапазонов частот, виброобработка, токи высокой частоты, лазерное, электронное излучения. Несмотря на предлагаемые технологии существенного роста качества структуры материалов, а значит и уровня комплекса свойств изделий не достигается из-за постоянного изменения параметров процесса кристаллизации, связанных с динамикой тепловложения и теплоотвода от расплавленного металла, изменения химического состава расплава, формируемого материалом электрода, присадочного материала и основного металла изделия, переходящего в расплав. Структура шва формируется в результате баланса между процессами теплоотдачи, диффузии, химического реагирования между компонентами сплава на фоне быстрого перехода расплава от перегрева к переохлаждению. При этом качественные и количественные показатели процесса кристаллизации, даже при условии применения дорогостоящих материалов и оборудования, могут влиять на результаты реализации технологического процесса в очень широких переделах, вплоть до вывода изделия в брак. Наиболее эффективных результатов удаётся достичь при использовании совмещённых технологий, таких как, обработка ультразвуком, дополнительное термическое воздействие на расплав в процессе обработки концентрированными потоками энергии (КПЭ), применение процессов принудительного формообразования и совмещённой механической обработки (например, фрикционной). Вопрос управления структурой кристаллизующегося сварочно-наплавочного шва, его механическими свойствами и формообразованием остаётся актуальным.

Кроме приведённого выше анализа проблем структурообразования наплавленного металла при дуговой сварке и наплавке, другой непреодолимой до настоящего времени проблемой этих технологических процессов, тормозящей расширенное использование их в производстве изделий машиностроительного профиля, является неудовлетворительное формообразование свободной поверхности расплавленного металла. Эта проблема настолько актуальна, что даже если будет предложена технология, обеспечивающая удовлетворительное структурообразование составных изделий по аддитивному механизму, все преимущества могут быть сведены «на нет» необходимостью объёмной механообработки покрытий с существенными макронеровностями и высокой твёрдостью поверхности. Именно поэтому, наряду с необходимостью решения проблем структурообразования наплавленного слоя необходимо решать проблемы формообразования в рамках комплексного подхода. В противном случае актуальность принятых решений остаётся невысокой.

Постоянно прилагаются усилия по управлению формообразованием наплавленного металла с целью снижения, а лучше исключения, последующей черновой механической обработки поверхности наплавки.

Можно выделить основные направления развития таких исследований:

- пластическое деформирование наплавленного металла в твердом состоянии;

- формообразование в вязко пластичном состоянии при помощи кристаллизаторов и форм, вытеснения расплава с использованием промежуточных элементов;

- совмещение операций наплавки или сварки с формообразованием наплавленного металла механической обработкой, в том числе, в вязко-пластичном состоянии;

- применение гибридных технологий или комбинирование различных видов энергий.

Отдельным направлением разработки систем формообразования наплавленного металла являются попытки применения УЗК, наложенных на формообразующие устройства. Однако все эти способы формообразования предполагают непосредственный контакт между наплавленным металлом в том или ином состоянии, что естественно сопряжено с быстрым износом их и тепловым воздействием на формообразующий инструмент, вплоть до его расплавления.

В работе [1] установлено, что в результате накатки горячего металла роликами высота неровностей наплавленного слоя уменьшается, а качество поверхности детали повышается. Как следствие: снижается трудоёмкость процесса механической обработки восстановленных деталей и повышается производительность труда. Изменение поверхностной твёрдости и микротвёрдости наплавленного слоя металла (в сторону увеличения), способствует более равномерному их распределению по длине и глубине детали. Благоприятные сжимающие остаточные напряжения в 2...4 раза больше, а залегание их на 1...2 мм глубже, чем у деталей, наплавленных без накатки роликами. Наплавленный металл имеет более мелкозернистую и однородную по длине детали структуру без пор и раковин в наплавленном слое металла, трещины на стыках наплавленных валиков отсутствуют, износостойкость металлопокрытия в 2...4 раза выше, чем у неупрочнённых, и практически равна износостойкости новых деталей. Наблюдается большая устойчивость наплавленного металла к схватыванию (на 50 %), детали, восстановленные с применением упрочняющей обработки, имеют более качественное металлопокрытие, чем детали, восстановленные по существующей технологии, что положительно отражается на их долговечности и эксплуатационной надёжности.

В работах [2,3] выявлен механизм формирования волнистости при ультразвуковом пластическом деформировании УЗПД материалов с твердостью до НВ 5000 МПа, заключающийся в цикличном накоплении и сбросе гребня волны в направлениях скорости и подачи в условиях дробного деформирования ультразвуковым инструментом. Установлен критерий формирования волнистости, представляющий собой соотношения кинематических параметров обработки (подача, скорость) с диаметром пластического отпечатка, связанным с деформационными параметрами процесса (амплитуда и частота колебаний, статическое усилие, диаметр деформирующего элемента) с учетом твердости обрабатываемого материала, установлено, что УЗПД с режимными параметрами, исключающими формирование волнистости, приводит к снижению упрочняющего эффекта.

В работах [4-7] путём термосилового воздействия (пуансонного вытеснения) предложено получать тонкий и сложный рельеф гравюр штампов, деталей художественного назначения, зубчатого профиля, выступов, утолщений в изделиях. Эффект снижения остаточных напряжений установлен в результате исследования дилатометрических кривых и экспериментального определения величины прогиба пластин при снятии стружки в домартенситной зоне, воспроизведение тонкого рельефа. Минимизация припуска на обработку (0,1-0,5 мм) достигнута за счёт использования формообразующих элементов, полимеризуемых и электропроводных наплавочных форм и промежуточных элементов, экзотермических брикетов в периферийных зонах наплавляемых рабочих элементов деталей машин. Коллективом авторов под руководством Казакова Ю.Н. показаны возможности ведения процессов комплексной наплавки с эффектом «безотходности» и выглаживания за счёт пуансонного вытеснения металла и переплава стружки, снимаемой возвратно-качательным резцом в ходе наплавки.

Предложенные способы формообразования находят применение в производстве составных деталей машин, однако, не являются достаточно эффективными из-за периодичности осуществляемых технологических воздействий, необходимости производства форм, пуансонов, промежуточных элементов, проектирования и монтажа средств позиционирования и силового внедрения формообразующих элементов в процессе сварки и наплавки. Такие устройства подвержены тепловому влиянию и агрессивному воздействию со стороны мощного источника концентрированного потока энергии - электрической дуги и расплавленного металла. Наличие подвижных сопряжений в непосредственной близости от дуги приводит к быстрому износу или заклиниванию исполнительных механизмов, а их работа требует высоких уровней автоматизации как процесса использования, так и процесса обслуживания формообразующих устройств.

Широкое применение в рамках металлургических процессов заставляет рассматривать весь комплекс возможных эффектов взаимодействия УЗК с расплавом, и в этом направлении совершенно не исследовано бесконтактное взаимодействие кристаллизующегося расплава с источником УЗК. Наиболее перспективным является радиационное давление ультразвуковых волн, развиваемое вблизи источника ультразвуковых колебаний, достаточно известное и применяемое для создания эффекта «левитации» вращающихся элементов гироскопических и других устройств, исключающих поверхностное трение. Однако, эффект формообразования наплавленного металла с использованием бесконтактных формообразующих устройств как в плане их конструкции, так и режимов и условий применения требует расширенных исследований.

Новые технологии обработки восстановленных наплавкой деталей опираются на рациональную структуру технологического процесса, учитывают изменение свойств наплавленного материала и позволяют получить максимальный эффект и обеспечить заданное качество поверхности при минимальных затратах. К таким технологиям относятся гибридные технологии - сочетающие несколько видов энергии, либо комбинации методов обработки, а также применение высокоскоростной обработки взамен чистового шлифования.

Граф-структура технологического процесса механической обработки восстановленной наплавкой детали, представлена на рисунке.

Традиционный подход к обработке деталей после наплавки показан слева, где после соответствующей термообработки ТО выполняется токарная обработка с последующим шлифованием поверхности. Сравнительный анализ традиционной и гибридной технологий показал, что цикл обработки с применением ТО и последующего шлифования более трудоемкий и дорогостоящий по сравнению с обработкой по гибридной технологии. При этом второй вариант технологического процесса позволяет исключить операцию ТО и обеспечить заданное качество поверхности при высокой производительности и удовлетворительной стойкости режущего инструмента.

Особенности фрикционной обработки заключаются в снятии дефектного припуска перед наплавкой и после нее. За счет сил трения поверхность детали нагревается и одновременно снимается припуск на обработку. Так как фрикционный диск имеет постоянно обновляющуюся режущую кромку, инструмент практически не изнашивается. Его стойкость составляет в среднем 20-24 часа. Процесс фрикционной обработки достаточно производительный, в силу своей специфики, поэтому идеально подходит для обработки восстановленных или закаленных поверхностей, в том, числе и с неравномерным припуском.

Граф-структура ТП после восстановления детали наплавкой

восстановление деталь транспортный наплавка

Характеристики высокоскоростной обработки ВСО принципиально отличаются от других видов механической обработки. При ВСО разрушение материала происходит в узкой зоне материала, в условиях локального термопластического сдвига. ВСО - производительный метод и способен обеспечить высокое качество поверхности.

Сочетание аддитивных и гибридных технологий обладает наибольшей эффективностью в решении проблем, связанных с изготовлением и восстановлением деталей машин транспортных средств, при этом обеспечивается высокое качество поверхности и возможно управление процессом формообразования при минимальных вложениях в производство.

Список литературы

1. Бойко Н.И., Хачкинаян А.Е. Восстановление роликов транспортёра путеукладочного поезда // Тр. всеросс. науч.-практ. конф. «Транспорт-2004». Ростов н/Д: РГУПС, 2004. - С. 60-64.

2. Семенова Ю. С. Особенности формирования геометрии поверхности при ультразвуковом поверхностном деформировании пластичных материалов / Ю. С. Семенова, А. С. Еремина, М. А. Третьяков // Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе: материалы 9-й Всеросийской научно-практической конференции 16 марта 2011. Новосибирск, Изд-во НГТУ 2011. - С. 82-85.

3. Рахимянов X. М. Влияние условий обработки при ультразвуковом деформировании пластичных материалов на стабильность формирования макрогеометрии поверхности / X. М. Рахимянов, Ю. С. Семенова П Инновации в машиностроении: сборник трудов 2-ой Международной научно-практической конференции /под ред. В.Ю. Блюменштейна. - Кемерово: КузГТУ, 2011. - С. 419424.

4. Способ механической обработки деталей в процессе автомат. Наплавки. Патент 764882. Бюл. «Открытия. Изобретения « № 36, 1992. 4/2 стр. Казаков Ю.Н., Казинский А.А.

5. Способ электродуговой наплавки легированного сплава / Казаков Ю.Н., Васин Г.П., Казинский А.А.. Патент 1811456. Открытия. Изобретения. Бюл. № 15, 1993. 4/2 с.

6. Способ наплавки / Казаков Ю.Н., Казинский А.А.. Патент 1834760 // Открытия, изобретения. Бюл. № 30, 1993. 8/4 с.

7. Способ дуговой сварки или наплавки / Казинский А.А., Ещенко Р.Ю., Казинский Н.А.. Патент на изобретение № 2490101 опубл. 20.08.2013.8 с.

Размещено на Allbest.ru