close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение эффективности восстановления валов автотракторной и сельскохозяйственной техники двухзаходной электроконтактной приваркой стальных проволок

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Нуртдинов Денис Маратович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВАЛОВ
АВТОТРАКТОРНОЙ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ
ДВУХЗАХОДНОЙ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ПРИВАРКОЙ СТАЛЬНЫХ
ПРОВОЛОК
05.20.03 – технологии и средства технического обслуживания
в сельском хозяйстве
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель,
доктор технических наук, доцент
Нафиков Марат Закиевич
Уфа 2016
Работа выполнена на кафедре механики и инженерной графики ФГБОУ
ВО «Башкирский государственный аграрный университет»
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент
Нафиков Марат Закиевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, доцент
Игнатьев Андрей Геннадиевич, заведующий
кафедрой «Сопротивление материалов»
Челябинского государственного аграрного
университета
кандидат технических наук, доцент
Медведев Александр Юрьевич, доцент
кафедры оборудования и технологии
сварочного производства ФГБОУ ВПО
Уфимский государственный авиационный
технический университет
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Мордовский
государственный университет
имени Н.П. Огарева»
Защита диссертации состоится «29» июня 2016 года в 10 часов на заседании
диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ,
ФГБОУ ВО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина», ФГБОУ ВО Казанский
ГАУ по адресу: 450001, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34, ауд. 257/3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО Башкирский
ГАУ и на сайте http://www.bsay.ru/science/dissertation_council/d4/
Автореферат разослан «___»_______________2016 года
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д.т.н., профессор
Мударисов
Салават Гумерович
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одним из самых главных направлений решения
проблем технического обслуживания и ремонта машин АПК является
восстановление изношенных деталей.
К числу наиболее эффективных способов восстановления изношенных
поверхностей относятся электроконтактные способы, основанные на методе
шовной сварки. Присадочный материал в форме стальных проволок наиболее
удобен и доступен, промышленностью РФ выпускается самая широкая номенклатура проволок по диаметрам и химическому составу.
Исследования,
посвященные
повышению
эффективности
технологических процессов восстановления деталей электроконтактной
приваркой стальных проволок (ЭКПП), более широкому использованию
перспективной технологии в ремонтном производстве, имеют большое
теоретическое и прикладное значения.
Степень разработанности темы. Анализ работ В.В. Булычева, В.А.
Дубровского, В.А. Емельянова, И.И. Загирова, В.С. Ибрагимова, Э.С.
Каракозова, Ю.В. Клименко, В.Т. Катренко, Р.А. Латыпова, М.З. Нафикова,
А.В. Поляченко, А.И. Пономарева, Л.Б.Рогинского, М.Н. Фархшатова и др.
ученых показал, что имеются резервы повышения эффективности известной
технологии. Процессы восстановления деталей способом ЭКПП достаточно
сложны и специфичны и требуют дальнейшего исследования.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИОКР
университета на 2015-2020 г.г. «Разработка и совершенствование технологий
упрочнения и восстановления деталей машин» (государственный регистрационный номер 115041410056).
Объект исследования. Технологический процесс восстановления
деталей типа «вал» сельскохозяйственной техники электроконтактной
приваркой стальных проволок.
Предмет
исследования.
Закономерности
формирования
металлопокрытия, наносимого ЭКПП.
Цель работы. Повышение эффективности, производительности и качества восстановления изношенных деталей электроконтактной приваркой стальных проволок путем совершенствования технологических процессов и разработки оборудования.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
1. Предложена новая технологическая схема (способ) восстановления
наружных цилиндрических поверхностей двухзаходной ЭКПП с применением
для подвода присадочных проволок в зону приварки направляющих
кондукторов.
2. Составлена расчетная схема, произведено формализованное описание,
разработана компьютерная программа и установлены аналитические
зависимости для определения параметров процесса образования сварного
соединения при двухзаходной схеме ЭКПП, учитывающие состояние
соединяемых поверхностей и трение в контакте.
3
3. Определены пределы изменения параметров режима ЭКПП по
предлагаемой технологической схеме и установлено их влияние на геометрию
сварного шва, прочность сварного соединения, структуру, твердость,
износостойкость металлопокрытия.
4. Выполнено научное обоснование, позволившее составить методику
определения рациональных режимов ЭКПП для различных сочетаний
диаметров проволок и валов.
Научная новизна проведенных исследований подтверждается патентами
РФ №№№ 2517640, 151258, 2578874 свидетельством на регистрацию компьютерной программы № 2015660532.
Теоретическая и практическая значимость работы в том, что:
1. Разработаны и защищены патентами РФ новый способ формирования
металлопокрытия контактной приваркой присадочных проволок, а также
конструкции устройств для подвода присадочных проволок в зону приварки.
2. Составлена научно-обоснованная методика определения рациональных
режимов ЭКПП при приварке проволок различного диаметра и химического
состава на наружные цилиндрические поверхности изношенных деталей.
3. Обоснованы и разработаны рекомендации по подготовке присадочной
проволоки и детали под приварку.
4. Установлены эксплуатационные характеристики восстановленных по
разработанной технологической схеме валов техники сельскохозяйственного
назначения.
Методология и методы исследований. Сформулированная в первой
главе диссертации цель исследования реализуется на основе сочетания
теоретических и экспериментальных методов исследования процесса
формирования сварного соединения по предлагаемой технологической схеме
ЭКПП. При исследованиях применялась вычислительная техника и
современные компьютерные программные продукты: Microsoft Word 2010, Microsoft 2010, Компас 3D V13, MathCad 14, Statistica 6.1 и др.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV Международной научно – практической
конференции «Ремонт. Восстановление. Реновация.» (Уфа 2013); Международной научно – технической конференции «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (Саранск 2014); VII Всероссийской научно –
практической конференции молодых ученых «Молодежная наука и АПК: проблемы и перспективы» (Уфа 2014); LIVМеждународной научно – технической
конференции «Достижения науки – агропромышленному производству» посвященная 85-летию ЧГАА (Челябинск 2015); VI – ой Международной научно
– практической конференции «Аграрная наука и образование на современном
этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения» посвященное памяти доктора технических наук, профессора В.Г. Артемьева (Ульяновск 2015); VI Всероссийской научно – практической конференции в рамках Х промышленного
салонов и специализированных выставок «ПРОМЭКСПО, станки и инструмент», «Сварка. Контроль. Диагностика» (Уфа 2015); Всероссийской научно –
4
практической конференция в рамках ХI промышленного салона и специализированных выставок «ПРОМЭКСПО, станки и инструмент», «Сварка. Контроль.
Диагностика» (Уфа 2016).
Достоверность научных положений и результатов, полученных автором,
обеспечивается применением в исследовании законов и положений физики, математики, теории соединения металлов в твердой фазе, контактной сварки, подтверждается удовлетворительным совпадением результатов теоретических и
экспериментальных исследований, применением сертифицированного, прошедшего обязательную ежегодную поверку приборов и оборудования, статистической обработкой результатов исследования с применением лицензионного программного обеспечения, эксплуатационными испытаниями восстановленных деталей.
Публикации. По результатам работы опубликовано 17 работ, в том числе
5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, получены 2 патента на способы и
1 на полезную модель, свидетельство регистрации программы для ЭВМ. Общий
объем опубликованных работ 2,7 п.л., из них автору принадлежат 1,8.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав,
общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 157 листах машинописного текста, содержит 14 таблиц, 54 рисунка
и 9 приложений на 17 листах. Список использованной литературы включает
171 наименование, в том числе 5 на иностранных языках.
На защиту выносятся:
1. Модель пластической деформации присадочных проволок при осуществлении процесса ЭКПП предложенным способом.
2. Выявленные закономерности формирования сварного соединения в
твердой фазе.
3. Экспериментальная оценка качества восстановления и долговечности
отреставрированных валов.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, показана
необходимость повышения производительности и эффективности восстановления валов техники сельскохозяйственного назначения.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены конструктивные, технологические и эксплуатационные характеристики восстанавливаемых валов сельскохозяйственной техники, до 85% которых выбраковываются при износах менее 0,3 мм на сторону. Выполнен литературный обзор известных работ в области электроконтактной наплавки и приварки присадочных материалов в форме стальных лент, проволок, сеток, металлических
порошков. Наиболее универсальным, доступным, дешевым видом присадки являются выпускаемые в широком ассортименте стальные проволоки, которые
можно приваривать на шейки любой длины по винтовой линии.
5
Проведенный анализ литературных источников дает возможность
выявить возможные пути и направления повышения производительности и
эффективности процесса ЭКПП.
Первое направление – это переход от наиболее распространенной
основной однопроволочной технологической схемы процесса к двухзаходной
приварке одновременно двух присадочных проволок и решить при этом ряд
возникающих
вопросов
технологического
плана.
При
приварке
противорасположенных присадочных проволок по винтовой линии
формируется резко неоднородная структура с неравномерным перекрытием
витков металлопокрытия и с образованием зазоров между смежными сварными
валиками. Происходит это из-за того, что перед приваркой присадочные
проволоки прижимаются к восстанавливаемой поверхности вала роликамиэлектродами с его противоположных сторон, причем начальное положение
проволок
обеспечивают
визуально.
Это
приводит
к
неточному
взаиморасположению присадочных проволок.
При ЭКПП добиться прочного сцепления металлопокрытия с основным
металлом детали можно лишь при правильно выбранных (рациональных)
технологических режимах приварки. На практике приходится восстанавливать
детали из различных материалов с различными износами рабочих поверхностей, применяя при этом различные присадочные проволоки. Определять для
каждой восстанавливаемой детали режим приварки нерационально. Поэтому
второе направление исследований, направленное на совершенствование
технологии восстановления, – провести теоретические и экспериментальные
исследования деформации присадочной проволоки, формально описать и
промоделировать процесс, на этой основе разработать научно-обоснованные
рекомендации по подготовки детали и проволоки к приварке и по выбору
технологических параметров режимов ЭКПП.
В связи со сказанным, были сформулированы конкретные задачи диссертационного исследования:
1. Путем модернизации двухзаходной технологической схемы ЭКПП добиться повышения эффективности и качества восстановления валов техники
сельскохозяйственного назначения.
2. Исследовать теоретически и экспериментально процесс формирования
сварного соединения при двухзаходном варианте ЭКПП, для чего необходимо
составить уточненную расчетную схему, выполнить формализованное описание пластической деформации присадочных проволок, учитывающее состояние
соединяемых поверхностей и трение в контакте, установить основные закономерности формирования сплошного металлопокрытия.
3.Составить научно-обоснованную методику и определить по ней рациональные режимы восстановления валов различного диаметра с различными износами.
4.Определить физико-механические свойства сформированных металлопокрытий и эксплуатационные характеристики восстановленных по разработанной технологии валов.
6
5. Составить практические рекомендации, позволяющие проектировать
более эффективные технологические процессы реставрации деталей типа «вал»
сельскохозяйственной техники ЭКПП стальных проволок. Произвести техникоэкономическую оценку эффективности разработанных технологических процессов и внедрить их в сельскохозяйственное ремонтное производство.
Во второй главе «Формализованное описание образования сварного соединения при ЭКПП» исследован теоретически и промоделирован процесс пластической деформации присадочных проволок и установлены основные закономерности формирования сварного соединения между присадочным металлом
и валом.
На расчетной схеме на рисунке 1 показан процесс формирования единичной площадки металлопокрытия при двухзаходном варианте ЭКПП.
К наплавляемой поверхности образца 1 радиуса R1 с его
противоположных сторон прижимаются присадочные проволоки 2 диаметром
d роликами-электродами 3 радиуса R2 . В результате осадки присадочного
металла образуются контактные площадки 4 и 5 соответственно со стороны
образца и ролика-электрода. На поверхности образца формируется
металлопокрытие 6 толщиной  ,
в присадочном металле выделена
элементарная призма 7 шириной f , положение которой определяется
центральными углами  1 и  2 . Осадки проволоки со стороны вала и со стороны
инструмента обозначены соответственно t1 и t 2 , а длины контактных дуг
присадочного металла с валом и роликом-электродом соответственно L1 и L2 .
Были получены следующие результаты. За каждый термомеханический
цикл на поверхность вала приваривается порция присадочного металла –
показанная на рисунке 1,б единичная площадка металлопокрытия.
Присадочный металл при прохождении импульса тока испытывает трехмерную пластическую деформацию. Осевая составляющая деформации  y и
толщина металлопокрытия  вычисляются после приварки проволок:
 у  ( LB  LПР ) / LПР ;
 d2

,
4S (1   y )
где S – шаг наплавки по винтовой линии, мм/об; LB – длина сварного валика;
LПР - длина проволоки, затраченной на приварку этого валика; остальные обозначения здесь и в дальнейшем соответствую схемам на рисунках 1 и 2.
Ширина сварного валика 2b определялась экспериментально, рисунок 3.
Контуры контактов присадочного металла с деталью и инструментом
ограничиваются половинами эллипсов с осями L1, 2 и b .
На контактной площадке выделен малый элемент с площадью
dA  R  d  2 x  2
в 2
L  R 2   2  R  d .
L
(1)
Перпендикулярно рассматриваемой площадке действуют нормальные
напряжения, равные пределу текучести материала проволоки при данной
температуре ее нагрева, p   T . Касательно выделенной площадке действуют
7
вызванные силами трения касательные напряжения, интенсивность которых в
соответствии с законом Кулона t  f  p  f   T , а направление противоположно
направлению выдавливания присадочного металла из зоны контакта.
d
p
y
dP
t
x
b
2
x= L L -y
2
L
dT
y
y

z
dy
R
2b
а
x
б
Рисунок 2 Усилия, действующие по контактной
площадке на присадочный металл проволоки со
стороны цилиндрического образца (а) и развертка
контактной площадки (б)
Рисунок 1 Схема деформации присадочных
проволок при двухзаходном варианте ЭКПП:
а – формирование металлопокрытия;
б – единичная площадка металлопокрытия;
1 – образец; 2 – присадочные проволоки;
3 – наплавляющие ролики-электроды;
4 – контактная площадка со стороны вала;
5 – контактная площадка со стороны роликаэлектрода; 6 – металлопокрытие;
7 – элементарная призма
Рисунок 3 Экспериментальные значения относительной ширины 2b / d приваренного валика при
КПП валов различных диаметров (при
 y  0,44...0,46 ; D2  300 мм)
Рисунок 5. Перекрытие зон образования сварного
соединения по длине шва
Рисунок 4. График распределения растягивающих напряжений по сварной площадке
8
Приравнивая суммы проекций элементарных сил, действующих на присадку со стороны вала и ролика-электрода, получаем уравнение равновесия
единичной порции присадочного металла:
F  2b   T 
2
R1

L1
2
R2

L2
L1 / R1

( L1 / R1 ) 2   2 (cos   f 1  sin  )  d 
0
(2)
L2 / R2
 ( L / R )   (cos   f  sin  )  d .
В соответствии с расчетной схемой на рисунке 1 получим также
следующие геометрические соотношения между параметрами деформации:
 2b   T 
2
2
2
2
2
0
cos 1, 2  ( R1, 2  t1, 2 ) / R1, 2 ; t1  t2    d ; L1,2  R1, 2  1MAX
,2 .
(3)
Длины дуг L1 и L2 контактов определяем из уравнений (2) и 3).
Вследствие воздействия вала и ролика-электрода на присадочный металл в
показанном на рисунке 1,а сечении действуют растягивающие силы:
b  R12
N1 у ( )  2 T

L1
N 2 у ( )  2 T
bR

L2
2
2
L1/R1


( L1 / R1 ) 2   12  (sin  1  f1  cos  1 )  d 1 ;
1
L2 /R 2


( L2 / R2 ) 2   22  (sin  2  f 2  cos  2 )  d 2 .
(4)
2
Найдем площадь прямоугольного поперечного сечения сварной площадки
в месте расположения элементарной призмы. Пользуясь рисунками 2.5,а и 2.6,б,
определяем
геометрические
параметры
такого
сечения:
ширина
2х 
2b 2
2
L1   1  R12 ,
L1
высота
f  R1  (1  cos 1 )  R2  (1  cos  2 )   ,
площадь
A( )  2 x  f .
Считаем, что нормальные растягивающие напряжения  у распределены по
поперечному сечению равномерно. Тогда по величине они равны
у 
N1 y ( )  N 2 y ( )
A( )
.
(5)
На рисунке 4 показано распределение растягивающих напряжений в
различных сечениях сварной площадки. Наибольшие нормальные напряжения
действуют в нижнем сечении сварной площадки (при 1   2  0 ), в верхнем
поперечном сечении площадки (при 1  1МАХ  L1 / R1 )  y  0 . Видно по
графику, что имеется зона наибольшей деформации, ограниченная участком
у СВ , где действующие напряжения превышают предел текучести присадочного
материала при данной температуре его нагрева. Излишнюю нагрузку на этом
участке воспринимает образующееся сварное соединение.
Условие образования сварного соединения в твердой фазе между
присадочным и основным металлами запишем как
(6)
у ≥ у СВ , или  у ≥  Т .
Обеспечивая перекрытие зон образования соединения по длине валика, а
смежных валиков по их ширине необходимо добиваться формирования сплош9
ного металлопокрытия без непроваров. Оптимальные значения соответствующих коэффициентов перекрытия определялись экспериментально.
Для проведения вычислений по полученным зависимостям составлена компьютерная программа. На рисунке 6 показана зависимость размеров зон формирования
сварного соединения в зависимости от трения в контакте. Видно, что ухудшение состояния поверхностей детали и проволоки
отрицательно влияет на размер указанной
Рисунок 6 Зависимость длины
зоны образования сварного соединения зоны.
При
сварное
f 1 >0,17…0,19
в пределах контактной площадки от
единение не образуется, размер y СВ отрицакоэффициента трения в контакте
тельный. Предварительной шлифовкой поверхности под приварку, очисткой и обезжириванием присадочной проволоки,
влияя на трение в контакте, можно существенно, до 50% и более, повысить
скорость восстановления.
Процесс ЭКПП основан на методе контактной (шовной) сварки, поэтому
методология (общие принципы) определения рациональных параметров
режима в обоих случаях близко совпадает. Последовательность выбора параметров режима ЭКПП следующая:
1) Эффективное значение тока сварки I определяется как произведение
площади стыка А1 на плотность линий тока i в контакте.
2) Усилие F на ролике-электроде должно создавать оптимальное
значение давления в контакте и определяется по выражению (2).
3) Длительность импульсов тока t И должна быть достаточной для
установления металлических связей соединяемых поверхностей и образования
прочного сварного соединения.
4) Окружная скорость вращения детали (скорость сварки) выбирается из
условия формирования сплошного металлопокрытия без непроваров.
5) На перекрытие сварных точек по длине валика влияет также длительность пауз между импульсами тока t П .
6) Шаг приварки по винтовой линии S в первую очередь влияет на структуру металлопокрытия и должен обеспечивать оптимальное перекрытие сварных валиков по их ширине.
Ряд необходимых для проведения конкретных расчетов параметров процесса определен экспериментально в четвертой главе диссертации.
В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» дается
описание применяемого оборудования и приборов, разработана методика конкретных экспериментов.
Приварка проволоки производилась на установке 011-1-02 конструкции
ГОСНИТИ, модернизированной для рассматриваемого варианта ЭКПП. На
наплавочной установке использовались ролики-электроды из бронзы Бр.НБТ
диаметром 300 мм и толщиной 12 мм.
10
В соответствии с разработанным способом двухзаходной ЭКПП были изготовлены две конструкции направляющих кондукторов для подвода присадочных проволок в зону приварки, показанные на рисунках 7 и 8. Применение
этих устройств дает возможность точно накладывать на восстанавливаемую поверхность по винтовой линии сварные валики с необходимым их перекрытием.
Рисунок 7 Восстановление валов двухзаходной
ЭКПП
с
применением
направляющего
кондуктора (пат.2517640): 1 – присадочные
проволоки; 2 – отверстия для подвода
проволок; 3 – корпус кондуктора; 4 –
направляющие наконечники; 5 – вал; 6 –
восстанавливаемая поверхность вала; 7 –
ролики-электроды
Рисунок 8 Устройство для подвода
присадочных проволок в зону приварки
(пат.151258): 1 – образец; 2 – кулачки; 3
– корпус; 4 – сменная втулка; 5 – пазы в
корпусе; 6 – винты; 7 – кронштейны; 8 –
отверстия; 9 –присадочные проволоки;
10 – ролики-электроды
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их
обсуждение» определялись рациональные режимы ЭКПП, исследовались
структура, свойства металлопокрытий, проведены эксплуатационные испытания восстановленных деталей.
В таблице 1 приведены технологические параметры режима приварки,
влияющие на прочность сварного соединения, о которой, в свою очередь, судили по осевой деформации  y присадочных проволок 1,8 ПК-2 ГОСТ 9389-75
после приварки на образцы диаметром 50 мм из нормализованной стали 45
ГОСТ 1050-88. Технологические факторы варьировались на трех уровнях.
Таблица 1 Технологические факторы ЭКПП и уровни их варьирования
Обозначение
X1
Х2
Х3
Х4
Технологические
факторы
Действующее значение
сварочного тока, I
Длительность импульсов
тока, tи
Усилие на роликеэлектроде, F
Окружная скорость
вращения детали, V0
Уровни варьирования
Размерность
Верх. +1
Сред. 0
Нижн. -1
8,5
6,75
5,0
кА
0,08
0,06
0,04
с
1,8
1,5
1,2
кН
0,030
0,020
0,010
м/с
По результатам экспериментов составлены уравнения регрессии, построены двух и трехмерные графики влияния. Было выявлено, что наибольшее влияние на прочность сварного соединения оказывают факторы X 1 и X 3 (величина
11
сварочного тока I и усилие на ролике-электроде F ), определяющие тепловыделение в контакте и температуру нагрева присадочного металла. Совместное
влияние факторов на выходной параметр  y описывается уравнением
(7)
 y  0,3974  0,0391X 1  0,0346 X 3  0,0517 X 12  0,0004 X 1  X 3  0,0143 X 32 .
Увеличение сварочного тока и снижение усилия ограничиваются перегревом и плавлением присадочного металла.
Влияние длительности импульсов тока t И и окружной скорости вращения
детали  О (факторы X 2 и X 4 ) менее существенное и описывается уравнением
(8)
 y  0,3973  0,0003 X 2  0,0158 X 4  0,0154 X 22  0,0006 X 2  X 4  0,0219 X 42
Анализ полученных результатов позволил определить оптимальный по
критерию «прочность сварного соединения» режим ЭКПП проволоки ПК-2
диаметром 1,8 мм: I  7,1...7,3 кА; t И  0,06 с; F  1,3...1,7 кН; O  16...18 мм/с. При
приварке на найденном режиме относительная осевая деформация проволок составляет 44…46%, прочность сварного соединения максимальная, равная пределу прочности основного металла вала на разрыв.
Относительные параметры режима: плотность линий тока i  340...360
2
А/мм , давление в контакте p   T  50...60 МПа, коэффициент перекрытия зон
образования сварного соединения
в пределах контактных площадок
К у  0,04...0,06 - не отличаются от соответствующих показателей, полученных
другими авторами для однопроволочной и двухпроволочной однозаходной
приварки.
Отличительная особенность любого способа восстановления валов с
наложением сварных валиков по винтовой линии с перекрытием по их ширине
– неоднородность структуры металлопокрытия, в котором зоны закалки чередуются с зонами частичного или полного отпуска. При ЭКПП предлагаемым
нами способом, предусматривающим применение направляющего кондуктора и
обеспечивающим точное наложение сварных валиков, разбег замеров твердости
от среднеарифметического значения существенно ниже, чем при двухзаходном
варианте ЭКПП без применения кондуктора. Коэффициенты вариации
значений твердости в экспериментах составили соответственно 6,6% и 12,2%.
Показатель структурной неоднородности в результате применения кондуктора
снижается практически в 2 раза, что положительно отражается на усталостной
прочности восстановленных валов.
Для
проволоки
ПК-2
значение
поверхностной
твердости
металлопокрытия достигает значений 63…65 HRC. Структура металла
единичной площадки представляет собой мелкоигольчатый мартенсит с
остаточным аустенитом. Она сформирована при высокой скорости охлаждения
в массивный бронзовый ролик-электрод в сочетании с давлением со стороны
инструмента. Нижележащие слои металла детали более мягкие. Глубина зоны
термического влияния равна 0,9…1,0 мм. Структура металла по мере удаления
от приваренного слоя в ЗТВ и основной металл образца переходит в
троостомартенситную, трооститную и затем в сорбитную. Размеры зерен
металла при этом растут.
12
На фотографиях, выполненных при большем увеличении, зона стыка
визуально не просматривается, так как в ней образовались общие зерна
основного и присадочного металлов. Такое сварное соединение равнопрочно
основному металлу и отличается повышенной пластичностью. В нанесенном
слое отсутствуют закалочные трещины и непровары.
Износные испытания проводились на машине трения СМЦ-2 в течение 12
часов при частоте вращения шпинделя 300 об/мин и удельном давлении 5 кПа.
Для смазки использовалось масло М-63/12Г, в качестве засорителя применялся
абразивный порошок карбида кремния №10. Величина износа определялась
методом искусственных баз.
Для экспериментов были изготовлены образцы-ролики диаметром 50 мм
трех серий: 1) наваренные проволокой ПК-2 по двухзаходной технологической
схеме на рисунке 1.6,д без применения направляющего кондуктора; 2) то же,
предложенным способом с применением применение кондуктора; 3) эталонные
образцы из стали 45, закаленные ТВЧ до твердости 52…54 HRC. Конртелом
служили колодочки из серого чугуна СЧ15 ГОСТ 1412-85.
В результате проведенных износных испытаний можно заключить следующее. Наибольшую износостойкость, как в период приработки, так и при
установившемся процессе изнашивания, показали образцы третьей серии, покрытия на которых нанесены предложенным способом с применением направляющего кондуктора. Несколько хуже износостойкость в условиях абразивного
изнашивания у образцов второй серии, покрытие на которых нанесено
двухзаходной ЭКПП без использования кондуктора.
Таблица 4.3 Твердость и износостойкость металлопокрытий,
сформированных различными способами
№
п.п.
1
2
3
Способ восстановления
Твердость,
HRC
52…54
52±10
Коэффициент
износостойкости К И
1,00
1,42…1,47
Сталь 45, закаленная т.в.ч. (эталон)
ЭКПП проволокой ПК-2 ГОСТ 9389-75
(двухзаходная, без кондуктора)
То же, с применением кондуктора
54±3
1,52…1,58
И
К И  Э ; И Э – износ эталонного образца; И – износ испытуемого образца
И
Мы объясняем наиболее высокую износостойкость образцов третьей
серии наиболее высокой средней твердостью металлопокрытия, а также
отсутствием в покрытии несплошностей, в которых скапливается абразивный
порошок.
В диссертационной работе для сравнения, приводятся взятые из
литературных источников коэффициенты износостойкости металлопокрытий,
нанесенных различных способами восстановления. Методика испытаний во
всех этих случаях совпадала с методикой, использованной в данной работе.
Остаточные напряжения в металлопокрытии, сформированном ЭКПП,
определялись методом пенетрации. Выявлено что, в отличие от большинства
13
способов восстановления, при рассматриваемом способе остаточные напряжения практически нулевые. Термические напряжения в присадочном металле
полностью снимаются вследствие термомеханического воздействия на него со
стороны ролика-электрода.
Эксплуатационные испытания восстановленных деталей Вал вторичный
50-1701040-01 трактора МТЗ-82, проведенные в транспортном цехе
предприятия ООО «УРАЛГАЗ-ОЙЛ», показали их высокую надежность и долговечность не ниже долговечности новых деталей.
В пятой главе «Разработка технологических процессов восстановления
изношенных деталей типа «вал». Производственные рекомендации» разработаны общие рекомендации по восстановлению валов сельскохозяйственной
техники двухпроволочной двухзаходной электроконтактной приваркой. По
разработанной методике определены режимы восстановления валов различного
диаметра и с различными износами присадочными проволоками из углеродистых и легированных сталей. В диссертации рациональные режимы ЭКПП,
приведены в табличной форме, обеспечивающие одновременно высокую
прочность сварного соединения и износостойкость металлопокрытия.
Технико-экономическая оценка разработанной технологии восстановления
выполнена на примере вторичного вала КПП трактора МТЗ – 82 в сравнении с
базовой технологией восстановления напеканием металлических порошков.
Разработанные технологические процессы восстановления изношенных
валов разработанным способом внедрены в ООО «УРАЛГАЗ-ОЙЛ» Республики Башкортостан с годовым экономическим эффектом 42…50 тыс. рублей в ценах 2015 года.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Усовершенствована технология восстановления изношенных валов автотракторной и сельскохозяйственной техники двухзаходной электроконтактной
приваркой
стальных
проволок.
Предложен
способ
ЭКПП,
предусматривающий применение направляющих кондукторов для подвода в
зону приварки присадочных проволок, позволяющий наносить по винтовой линии на восстанавливаемую поверхность сварные валики с необходимым их перекрытием по ширине и увеличить производительность процесса приварки
практически в 2 раза по сравнению с однопроволочной приваркой.
2. Составлена усовершенствованная расчетная схема и выполнено
формализованное описание процесса формирования сварного соединения в
твердой фазе, учитывающее состояние соединяемых поверхностей и трение в
контакте; установлены основные закономерности формирования сплошного
металлопокрытия. Вычислены параметры пластической деформации
присадочных проволок, размеры зон контактных площадок, в которых
образуется сварное соединение в твердой фазе.
Установлено, что трение в контакте может снизить размер зоны
образования сварного соединения (соответственно скорость приварки) до 50 %.
Экспериментально установлено комплексное влияние технологических
параметров при двухзаходном варианте ЭКПП на осевое удлинение присадоч14
ной проволоки и определен оптимальный режим приварки проволоки 1,8 ПК-2
ГОСТ 9389-75 на основу сталь 45 ГОСТ 1050-88, обеспечивающий прочность
сварного соединения, равную пределу прочности на разрыв основного материала вала: действующее значение сварочного тока I  7,1...7,3 кА; длительность
импульсов тока t И  0,06 с; усилие на ролике-электроде F  1,3...1,7 кН; окружная
скорость вращения детали O  16...18 мм/с. Определены также оптимальные по
критерию «прочность сварного соединения» относительные значения параметров режима: оптимальная плотность линий тока i  340...360 А/мм2; давление в
контакте p   T  50...60 МПа; коэффициент перекрытия зон образования сварного соединения в пределах контактных площадок К у  0,04...0,06. Установлено,
что относительные параметры режима не зависят от варианта осуществления
процесса ЭКПП.
3. На основе выполненных теоретических и экспериментальных
исследований составлена методика и по ней определены рациональные режимы
восстановления валов различного диаметра, химического состава с различными
износами. Составлена компьютерная программа, облегчающая и ускоряющая
расчеты параметров режима ЭКПП.
4. Показано, что разработанным способом ЭКПП на найденных режимах
на изношенных цилиндрических поверхностях деталей формируется сплошное
термомеханически
упрочненное
металлопокрытие,
не
требующее
дополнительной термообработки. Средняя твердость металлопокрытия из
проволоки ПК-2 составляет 53…55 HRC, показатель неоднородности
структуры в 1,7…1,9 раза ниже, чем при базовом варианте двухзаходной
приварки.
Определено, что для условий абразивного трения износостойкость
металлопокрытия из стали 65Г, нанесенного разработанным способом, в
1,52…1,58 раза выше износостойкости стали 45, закаленной ТВЧ и в 1,1…1,2
раза превышает износостойкость покрытия при базовом варианте, что
обусловлено высокой средней твердостью металлопокрытия, а также
отсутствием в покрытии дефектов и несплошностей, в которых скапливаются
абразивные частицы.
Установлено, что при ЭКПП в результате термомеханического
воздействия со стороны ролика-электрода на присадочную проволоку в
металлопокрытии формируются небольшие по величине сжимающие
остаточные напряжения, что является причиной меньшего, чем при других
способах
нанесения
покрытий,
снижения
усталостной
прочности
восстановленных валов.
Эксплуатационными
испытаниями
восстановленных
деталей
подтверждена их работоспособность на уровне новых.
5. Составлены рекомендации по проектированию эффективных
технологических процессов восстановления валов ЭКПП, в том числе по
подготовке деталей и проволоки к приварке.
15
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ
Полученные результаты можно использовать при проектировании рациональных технологических процессов восстановления валов техники сельскохозяйственного применения двухзаходной электроконтактной приваркой стальных проволок с использованием для точного наложения сварных валиков по
винтовой линии разработанных конструкций кондукторов.
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ
Дальнейшие исследования целесообразно проводить в направлении углубления теоретических исследований процесса формирования сварного соединения в твердой фазе, изменения термомеханического цикла приварки, разработки технологических процессов восстановления валов из различных легированных сталей.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Нуртдинов, Д.М. Методология выбора рациональных режимов контактной
приварки стальных проволок. /М.З. Нафиков, И.И. Загиров, А.А. Зайнуллин,
Д.М. Нуртдинов // Известия международной академии аграрного образования. –
2013 – №17. – С.192-196.
2. Нуртдинов, Д.М. Эффективный способ восстановления деталей./ Д.М. Нуртдинов, И.И. Загиров, М.З. Нафиков// Сельский механизатор. – 2014. – №8. –
С.36-37.
3. Нуртдинов, Д.М. Расчет шага приварки по винтовой линии стальных проволок при восстановлении валов./ М.З. Нафиков, Д.М. Нуртдинов, И.Р. Шакиров
// Вестник Башкирского государственного аграрного университета. – 2015. –
№1. – С. 93-96.
4. Нуртдинов, Д.М. Восстановление валов двухзаходной контактной приваркой
стальных проволок./М.З. Нафиков, И.И. Загиров, Д.М. Нуртдинов, И.Р. Шакиров, В.Ш. Валеев// Ремонт, Восстановление, Модернизация. – 2015. – №4. – С.811.
5. Нуртдинов, Д.М. Влияние трения в контакте на параметры сварного соединения при электроконтактной приварке./ М.З. Нафиков, Д.М. Нуртдинов, И.Р.
Шакиров // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. –
2015. – №2. – С.77-83.
В других изданиях
6.Нуртдинов Д.М. К вопросу выбора технологической схемы электроконтактной приварки проволоки. [Текст] / Нафиков М.З., Зайнуллин А.А., Нуртдинов
Д.М. // Материалы IV Международной научно-практической конференции 1921 марта 2013г.
16
7. Нуртдинов, Д.М. Пути повышения производительности и эффективности
восстановления валов контактной приваркой проволок./Д.М. Нуртдинов, И.Р.
Шакиров, М.З. Нафиков, И.И. Загиров// Сборник научных трудов международной конференции – Саранск: ФГБОУ ВПО Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева. – 2014. –С.325-333.
8.Нуртдинов Д.М. Повышение производительности процесса восстановления
деталей контактной приваркой стальных проволок. / Нуртдинов Д.М., Шакиров
И.Р., Загиров И.И. // Молодежная наука и АПК: проблемы и перспективы:
материалы VII Всероссийской научно-практической конференции молодых
ученых (22 декабря 2014г.) Часть II. – Уфа : Башкирский ГАУ, 2014. – 220 с.
9. Нуртдинов, Д.М. Структуры металлопокрытий, нанесенных электроконтактной приваркой стальных проволок./Д.М. Нуртдинов// Сборник научных трудов
LIV международной научно – технической конференции – Челябинск: ФГБОУ
ВПО Челябинская государственная агроинженерная академия. – 2015. – С.98104.
10. Нуртдинов, Д.М. Восстановление деталей контактной приваркой стальных
проволок с применением направляющего кондуктора./Д.М. Нуртдинов// Материалы VI Международной научно – практической конференции посвященная
памяти доктора технических наук, профессора В.Г. Артемьева – Ульяновск:
ФГБОУ ВПО Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина. – 2015. – С.86-89.
11. Нуртдинов Д.М. Двухзаходный вариант электроконтактной приварки стальных проволок. /Нуртдинов Д.М. // Ремонт. Восстановление. Реновация: материалы VI Всероссийской научно - практической конференции в рамках Х Промышленного салона и специализированных выставок «Промэкспо, Станки и
инструмент», «Сварка. Контроль. Диагностика» - Уфа: Башкирский ГАУ, 2015.
– 316 с.
12. Нуртдинов Д.М. Износостойкость металлопокрытия, сформированного контактной приваркой проволок. /Нуртдинов Д.М.// Материалы VIII Всероссийской научно - практической конференции молодых ученых (8 декабря 2015г.)
Часть I. – Уфа, Башкирский ГАУ, 2015. – С. 312 – 316.
13. Нуртдинов Д.М. Режимы восстановления автотракторных валов электроконтактной двухзаходной приваркой стальных проволок. /Нуртдинов Д.М. // Материалы Всероссийской научно – практической конференции в рамках XI Промышленного салона и специализированных выставок «Промэкспо, Станки и
инструмент», «Сварка. Контроль. Диагностика» - Уфа: Башкирский ГАУ, 2016.
– C. 196 – 202.
Патенты
14. Способ формирования металлопокрытия контактной приваркой присадочных проволок./М.З. Нафиков, И.И. Загиров, И.Р. Ахметьянов, А.А. Зайнуллин,
Д.М. Нуртдинов/ Патент на изобретение RU 2517640 C1МПК В23К 11/06
(2006.01) опубл. 27.05.2014.
17
15. Устройство для подвода присадочных проволок в зону приварки при электроконтактной наплавке наружных цилиндрический поверхностей образцов./М.З. Нафиков, Д.М. Нуртдинов, И.Р. Шакиров, И.И. Загиров, В.Ш. Валеев,
И.Р. Ахметьянов / Патент на полезную модель RU 151258 U1 МПК В23К 11/06
(2006.01) опубл. 27.03.2015.
16. Способ формирования металлопокрытия одновременной электроконтактной
приваркой двух стальных проволок./М.З. Нафиков, И.Р. Шакиров, И.И. Загиров, Д.М. Нуртдинов, Д.М. и др. / Патент на изобретение RU 2578874 С1МПК
В23К 11/06 (2006.01) опубл. 27.03.2016.
Свидетельство
17. Программа определения режимов двухзаходной контактной приварки
стальных проволок./М.З. Нафиков, Д.М. Нуртдинов, В.Ш. Валеев, И.Р. Шакиров, И.И. Загиров/ Свидетельство о государственной регистрации программы
для ЭВМ № 2015660532. Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 1 октября 2015.
18
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа