close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0C5BD42211

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Секретно
(пункт 342 Перечня)
Экз. №___
ЗУБЕНКО ЕЛЕНА ВАСИЛЬЕВНА
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ ПРОЦЕССА
ТЕРМОУПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ
ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ
Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического
обслуживания в сельском хозяйстве
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
военном образовательном учреждении высшего профессионального
образования «Военно-технический университет» (ФГБВОУ ВПО ВТУ)
Научный
руководитель:
доктор технических наук, профессор
Кравченко Игорь Николаевич
Официальные
оппоненты:
Коломейченко Александр Викторович
доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой
«Надежность и ремонт машин» ФГБОУ ВПО «Орловский
государственный аграрный университет»
Ферябков Александр Витальевич
кандидат технических наук, доцент, начальник
управления по информационным технологиям,
дистанционному обучению и региональным связям
ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный
заочный университет»
Ведущая
организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
Московский государственный агроинжененрный
университет им. В. П. Горячкина
Защита состоится 20 декабря 2013г. в 1300 на заседании диссертационного
совета Д 006.034.01 Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка» Российской академии сельскохозяйственных наук
(ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии) по адресу: 109428, г. Москва, 1-й Институтский пр., д. 1 конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт ремонта
и эксплуатации машинно-тракторного парка» Российской академии сельскохозяйственных наук.
Автореферат разослан 19 ноября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Р. Ю. Соловьев
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность Одной из важнейших задач современного этапа развития отечественного ремонтного производства и машиностроения является существенное повышение качества, надежности и долговечности сборочных единиц, деталей, узлов и
механизмов. Для повышения долговечности машин решающее значение имеет упрочнение поверхностей деталей в процессе их изготовления и ремонта.
Установлено, что в общем объеме 70…75% деталей имеют форму тел вращения, для восстановления которых в настоящее время применяются различные виды
наплавки металла с последующим, как правило, холодным резанием.
Однако холодное резание наплавленного металла характеризуется большими
затратами и значительными сроками восстановления деталей из-за применения многочисленного оборудования, технологической оснастки и инструмента. Это снижает
количество ремонтов сельскохозяйственной техники в условиях ремонтных мастерских сельскохозяйственных предприятий. Поэтому возникает необходимость в применении технологий, резко сокращающих сроки восстановления деталей без снижения их ресурса.
В условиях современного сельскохозяйственного производства разработка и
внедрение новых методов обработки наплавленного металла с приданием ему заданных свойств при наименьших затратах является актуальной задачей, которая до
настоящего времени не нашла окончательного решения.
Одно из направлений решения задачи заключается в восстановлении деталей
тел вращения, их критических быстроизнашиваемых поверхностей наплавкой с последующим резанием и упрочнением в горячем состоянии, управляя параметрами
качества наплавленного металла, с исключением термической обработки наплавленного слоя.
Цель работы повышение качества восстановленных цилиндрических деталей
и эффективности ремонта сельскохозяйственной техники в мастерских АПК, путем
оптимизации параметров и режимов процесса термоупругопластического деформирования (ТУПД) обрабатываемых поверхностей.
Объектом исследования являются изношенные детали сельскохозяйственной техники, имеющие форму тел вращения, и технологические процессы ТУПД.
Предмет исследования закономерности изменения физико-механических
свойств поверхностей наплавленных деталей сельскохозяйственной техники при
ТУПД.
Задачи исследования 1. Разработать математическую модель определения
усилия пластического деформирования наплавленных поверхностей деталей с нагревом для обеспечения заданных (установленных) физико-механических свойств.
2. Установить закономерности процесса точения нагретых до температуры разупрочнения наплавленных заготовок из сталей.
3. Выполнить экспериментальные исследования резания с нагревом и
ТУПД с определением рациональных параметров и режимов нагрева и накатывания восстанавливаемых деталей.
4. Разработать технологическую оснастку для реализации комплексного метода резания металлов с нагревом и термопластическим деформированием обрабатываемых поверхностей деталей.
3
5. Провести технико-экономический анализ внедрения ресурсосберегающей
технологии восстановления и упрочнения деталей поверхностно-пластическим деформированием при ремонте с.х. техники.
Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем:
1. Установлены закономерности изменения физико-механических свойств поверхностей наплавленных деталей сельскохозяйственной техники при ТУПД.
2. На основе установленных закономерностей обработки наплавленных металлоизделий получены математические зависимости в виде полиноминальных моделей, отражающих влияние режимов нагрева, резания и накатывания на производительность обработки, показатели качества (шероховатость и точность) восстановленных поверхностей деталей и стойкость инструмента.
3. Разработана методика выбора рациональных режимов обработки наплавленного металла деталей ТУПД путем ускоренного формирования упрочненной поверхности, учитывающая конкретные условия производства и конфигурацию восстанавливаемых деталей при ремонте сельскохозяйственной техники. Установлены
закономерности влияния технологических параметров процесса на формирование упрочненного слоя металла при ТУПД.
Практическая значимость:
1. На основе применения принципов сформированного методического
обеспечения разработан метод ТУПД деталей из конструкционных сталей и
технологическая оснастка в составе спаренного с режущим инструментом
роликового накатника и теплоизолированных кулачков токарного патрона.
2. В совокупности полученные результаты позволяют интенсифицировать
процессы совмещенного резания горячего металла и пластической деформации
нагретой поверхности деталей, исключая термическую обработку наплавленного
слоя.
3. Разработаны рекомендации по внедрению ресурсосберегающей технологии
обработки деталей методом ТУПД в практику ремонта техники в ремонтных мастерских АПК.
Пути реализации работы. Результаты исследований могут быть использованы
на ремонтно-технических, сельскохозяйственных, промышленных и дорожностроительных предприятиях, эксплуатирующих технику, а также на заводахизготовителях деталей, применяющих токарное оборудование.
Внедрение результатов исследований. Результаты работы внедрены в: ООО
сельскохозяйственное предприятие им. М. Горького Труновского района Ставропольского края, ООО сельскохозяйственное предприятие Чапаевское Шпаковского
района Ставропольского края, ОАО «Литейно-механический завод» ( г.Балашиха),
Научно-производственное предприятие «ГИПЕРОН» г. Дмитров Московской области, в учебный процесс ФГОУ«Военно-технический университет» г. Балашиха.
Основные результаты исследований отражены в монографии «Термодинамическое
упрочнение сварных и наплавленных изделий машиностроения» (ФГОУ ВПО Ставропольский ГАУ, 2012 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертации представлены в докладах на научно-технических конференциях СтГАУ (Ставрополь, 2009-2012 гг.),
ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия»
(Зерноград, 2010 г.), ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный
4
университет имени В.П. Горячкина» (Москва, 2011 г.), ФГБОУ ВПО «Военнотехнический университет» (г. Балашиха, 2012 г.), VIII Международной научнопрактической конференции (Болгария, София, 2012 г.). IV Международном форуме
по интеллектуальной собственности «Expopriority» (г Москва, 2012 г.).
Методы исследования базируются на основных положениях теорий
теплопереноса, математической физики и подобия, теорий дислокаций,
пластической деформации металлов и кристаллографии, методов физического,
математического моделирования и математической статистики. Обработка
результатов исследований осуществлялась на основе методов многофакторного и
статистического анализов.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель определения усилия термоупругопластического
деформирования наплавленных поверхностей деталей для обеспечения заданных физико-механических свойств.
2. Методика выбора рациональных режимов обработки наплавленного металла ТУПД с учетом технических требований к восстанавливаемым деталям.
3. Технологическая оснастка для обработки наплавленных поверхностей восстанавливаемых деталей термоупругопластическим деформированием.
4. Ресурсосберегающая технология совмещенной обработки наплавленных деталей ТУПД при ремонте сельскохозяйственной техники.
Публикации. Основные научные положения и результаты диссертационного
исследования опубликованы в 12 работах, из них 1 монография, 3 научных статьи в
ведущих журналах и изданиях, рекомендованных для публикаций ВАК России. По
материалам диссертации получен один патент на изобретение, один патент на полезную модель и два свидетельства о гос.регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав,
заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на
169 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 25 таблиц, использованных источников (148 наименований) и 14 приложений на 47 страницах.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования, приведены положения, выносимые на защиту, а также дана общая характеристика работы с позиций требований ВАК к кандидатским диссертациям.
В первой главе представлен комплексно-системный анализ отказов сельскохозяйственной техники, мероприятий и средств по её ремонту и восстановлению, а
также состояния научно-методической базы в области применения и развития технологических способов восстановления и упрочнения поверхностей деталей наплавкой с последующей механической обработкой.
Повышению эксплуатационных показателей, работоспособности и износостойкости быстроизнашивающихся деталей техники, а также разработке методов и технологий их упрочнения посвящены труды А. Н. Батищева, В. А. Зорина,
И. Н. Кравченко, В. П. Лялякина, А. Ф. Пузрякова, Е. А. Пучина, М. М. Тененбаума,
В. И. Черноиванова и др. В работах этих ученых показано, что одной из главных
причин отказов машин и потери их работоспособности является изнашивание дета5
лей, причем в общем объеме преобладают валы (70…75%) длиной 200…400 мм и
диаметром 30…70 мм; наиболее часто встречающийся дефект – износ (до 0,6 мм)
цилиндрической поверхности. Одно из применяемых решений данной проблемы –
это наплавление (или напыление) с последующим «холодным» резанием и поверхностно пластическим деформированием наплавленного металла (ППД).
Большой вклад в изучение проблем обработки металла резанием, создание технологий ППД и применение их в промышленности внесли отечественные ученые
А. А. Аваков, А. М. Даниелян, Д. Г. Евсеев, Н. Н. Зорев, Н. Н. Рыкалин, Я. Г. Усачев, С. Г. Хейфец, М. А. Шатерин, А. В. Якимов и другие. Ряд работ зарубежных
ученых Е. Трента, Ч. Хикса, Е. Тарберта, Х. Такеямы, К. Триггера, Е. Усуи в данной
области дополняют проведенные исследования. Результаты их многочисленных исследований показывают, что определяющими для выбора режимов обработки холодного металла является стойкость инструмента и глубина резания. Для уменьшения времени на восстановление деталей предлагается нагрев поверхности во время
обработки: (в большинстве случаев минуя черновую обработку) с последующим упрочнением накатником, обеспечивая тем самым высокий класс шероховатости и необходимой твердости поверхности (минуя термообработку). Однако предлагаемой
технологии до настоящего время не уделялось должного внимания, что определяет
актуальность данного исследования.
Вторая глава посвящена разработке математической модели определения усилия ППД наплавленных поверхностей деталей с нагревом для обеспечения заданных
физико-механических свойств, обоснованию температуры нагрева поверхности в зависимости от предела текучести σт, исследованию геометрических размеров приспособления для ТУПД (в дальнейшем роликовый накатник), толщины упрочненного
слоя hуп и методике выбора рациональных режимов обработки наплавленного металла ППД нагретых поверхностей с учетом технических требований к восстанавливаемым деталям.
Упрочнение поверхностного слоя детали зависит от технологических параметров процесса пластического деформирования накатыванием. Установление оптимального режима накатывания наплавленного металла напрямую связано с правильным назначением глубины деформации, величины и характера прилагаемой силы, динамики формоизменения (изменения диаметра наплавленной детали до накатывания и после его, оптимального размера рабочего инструмента).
Технологический процесс резания металла с нагревом, совмещенного с ППД
поверхности детали обкаткой роликом представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема
технологического
процесса резания
металла с нагревом,
совмещенного с ППД
поверхности детали
обкаткой роликом:
1 – газовая горелка;
2 – сопло для распыления
охлаждающей жидкости
(СОЖ); 3 – ролик;
4 – деталь; 5 – резец
6
На основе анализа воздействия приложенных сил к обрабатываемому материалу, формы пятна контакта накатника с деталью, возникающих напряжений и температуных воздействий выведена математическая модель определения усилия термоупругопластического деформирования наплавленных поверхностей деталей для
обеспечения заданных физико-механических свойств.
Величина усилия накатывания холодного наплавленного металла Р (Н) определяется:
Р=
0,385 σ Т R р α h ⎛
0,87 fb [1 + cos (α / 2 )] ⎫
2 h (α / 2 )cos (α / 2 ) ⎧
2 fb
exp
− 1 ⎞⎟ +
− 1⎬ , (1)
⎜ exp
⎨
2
h (α / 2 )
cos (α / 4 )
h
f
2⎝
⎠
⎭
⎩
где σт – предел текучести наплавленного металла, МПа;
RР – радиус ролика, мм; α – угол деформации, рад;
f – коэффициент трения при деформировании наплавленного металла;
h – толщина наплавленного слоя после деформирования, мм;
b – длина малой полуоси пятна контакта ролика с наплавленным металлом, мм.
Угол деформации α (рад) при упрочнении цилиндрических деталей:
2(R Д + h )
α = Δh
,
(2)
R Р (R Р + R Д + h )
где Δh – изменение диаметра детали после ППД, мм; Rд – радиус детали, мм.
Форма пятна контакта ролика с холодным наплавленным металлом цилиндрической детали без учета упругого сжатия представляет собой половину эллипса с
полуосями а и b. Полуоси а, b (мм) и площадь пятна контакта Fк (мм2) ролика с деталью определяются:
2ΔhR Р (R Д + h )
2,25Sн2 + Н 2
; b = Δh⎛⎜
− Δh ⎞⎟ + Δh;
a=
(3)
RР + RД + h
Н
⎠
⎝
Fк =
⎤
πR р ab
2,25Sн2 + Н 2
⎛ 2R р ( R Д + h )
⎞ ⎡
= 1,57 Δh ⎜
− Δh ⎟ × ⎢ Δh ⎛⎜
− Δh ⎞⎟ + Δh ⎥,
2
Н
⎝
⎠
⎝ (R р + R Д + h )
⎠ ⎣
⎦
(4)
где Sн – шаг наплавки, мм;
Н – толщина наплавленного слоя до накатывания, мм.
Большое влияние на температурные режимы накатывания оказывает предел
текучести наплавленного металла, который зависит от химического состава наплавляемого материала, типа защитной среды при наплавке и температуры нагрева
металла. С учетом содержания углерода, марганца и хрома можно определить предел текучести σт (МПа) при различных температурах, для различных покрытий по
формуле:
σт =
9,807(1,4 + C + Mn + 0,3Cr )
(1400 − t ),
100
(5)
где t – температура наплавленного металла, °С;
С, Мn, Сr – массовая доля в наплавленном металле углерода, марганца и хрома
соответственно, %.
Для пяти наплавочных проволок, использующихся при ремонте поверхностей
вращения, определен химический состав и получены значения σт, от температуры t
(рис. 2). Результаты анализа полученных зависимостей показывают, что чем выше
температура наплавленного металла, тем меньше предел его текучести. При этом с
7
увеличением температуры и уменьшением предела текучести металл становится
пластичнее и легко поддается пластическому деформированию.
Рисунок 2 – Зависимость предела текучести от
температуры покрытия, наплавленного проволоками Св-08А (1, 5), Св-08Г2С (2, 6), Нп-30ХГСА
(3, 7) и пружинной 2 класса (4, 8) под нелегированным (сплошные линии) и легированным
(штриховые линии) флюсом АН-348А
В результате пластической деформации толщина упрочненного слоя hуп, мм,
определяется как:
5
⎧
⎡ P
⎤ ⎫ 10 + ln(b / a )
4
17
h уп = b ⎨
−
⎢
⎥⎬
3/ 2
⎩ 5(ab) + 3 ⎣ abσ Т 6 + ln(b / a ) ⎦ ⎭
(6)
Суммарное повышение температуры металла при накатывании определяется сложением температуры нагрева от теплового источника и температуры нагрева от пластических деформаций.
Из условия равновесия сил, приложенных к холодному металлу наплавленного
слоя, на основании теории пластической деформации, перед движущейся областью
пластических деформаций будет выполняться следующее условие:
02
∫ σ ⋅ dy + σ 02 (y 06 − y 02 ) + k ⋅ x 06 = 0.
(7)
00
Тогда среднее нормальное напряжение вдоль линии скольжения 00-06 (рис. 3):
π
σ = σ 00 − 2k ⋅ ⎛⎜ β − ⎞⎟.
4⎠
⎝
Из уравнений (8) и (9) находим:
σ 00 (β ь − β 02 ) ⋅ y 02 − 0,5x 06
π
=
+ β 02 − .
2k
y 06
4
(8)
(9)
Рисунок 3 – Поле скоростей вдоль линий скольжения для
накатки наплавленной вращающейся нагретой поверхности детали
Среднее нормальное напряжение в точке 22
(рис. 3) и во всей области, примыкающей к линии
контакта, составит:
σ 22 σ 00 ⎛
π
=
− ⎜ β 02 − ⎞⎟ = −0,2578.
2k 2 k ⎝
4⎠
Тогда касательное напряжение в точке линии контакта составит:
σ n σ 22
=
− 0,5 = −0,7578.
2k 2k
8
Из условия равновесия сил, приложенных к нагретому до температуры
450…600ºC металлу наплавленного слоя, перед движущейся областью пластических
деформаций для поля перемещения скоростей деформаций имеем:
y 02
x
= 0,04; 06 = 0,31; β m = 0,28; β 02 = 0,5.
y 06
y 06
Среднее нормальное напряжение в точке 22 и во всей области, примыкающей к
σ
σ
π
линии контакта: 22 = 00 − ⎛⎜ β 02 − ⎞⎟ = −0,0838.
2k 2k ⎝
4⎠
Тогда касательное напряжение в точке линии контакта составит:
σ n σ 22
=
− 0,3 = −0,3838.
2k 2k
Сравнивая величины напряжений при накатывании холодного и нагретого слоя
видно, что нагрев резко уменьшает величины нормальных и касательных напряжений. При этом сила давления ролика на нагретую поверхность должна быть в 1,97
раз меньше давления ролика на холодную поверхность для создания горизонтальных сдвигающих напряжений и в 3,078 раза меньше для создания нормальных к поверхности сжимающих деформаций.
Изменение диаметра детали Δh после ППД в зависимости от силы накатывания наплавленного металла при разных температурах металла представлено на
рис. 4. Во всех случаях с увеличением силы накатывания величина Δh возрастает.
Полученный график позволяет выбрать силу, необходимую для требуемого изменения диаметра детали при определенной температуре. Также установлено, что с
ростом силы накатывания увеличивается длина полуоси пятна контакта и его
площадь. Полученная зависимость толщины упрочненного слоя hуп от температуры наплавленного металла t, накатанного роликом с разной геометрией (рис. 5),
позволяет утверждать, что с увеличением температуры наплавленного металла,
радиуса ролика и ширины его цилиндрического пояска возрастает толщина упрочненного слоя.
Рисунок 4 – Влияние силы накатывания наплавленного металла на изменение диаметра
детали после ППД при температуре покрытия
100°С (1), 400°С (2), 700°С (3)
и 1000°С (4)
9
Рисунок 5 – Зависимость толщины упрочненного слоя от температуры наплавленного металла при накатывании роликами с радиусами
Rp = 80 мм (штриховые линии), Rp = 120 мм
(сплошные линии) и шириной цилиндрического пояска 4 мм (1, 4), 5 мм (2, 5) и 6 мм (3, 6)
Увеличивать температуру поверхности и размеры ролика можно до определенного предела, так как при больших значениях этих параметров возможно уменьшение hуп. Установлено так же, что для каждого значения ширины пояска ролика в зависимости от силы накатывания и температуры нагрева покрытия при ППД существует пороговое значение hyn.
На основе разработанной математической модели предложена методика выбора рациональных режимов обработки наплавленного металла ППД нагретых поверхностей с учетом технических требований восстанавливаемых деталей.
Для сохранения структуры металла от нежелательных фазовых превращений
определен диапазон нагрева детали ΔТ до расчетных температур:
Т р ⋅ σ 0вн, 26
ΔQ α (Т − Т о ) Ft
Тд =
,
ΔТ ≈
=
;
(10)
cρV
cρV
σ 0вх, 26
кал.г ⎞
кал.г ⎛
где c – удельная теплоемкость,
⎜ с Fe = 0,1075
⎟; ρ – плотность материала,
град ⎠
град. ⎝
г/см3, принимаемая равной ρFe = 7,86 г/см2; V – объем тела, см3; Тд - температура
деформации оС; Тр – оптимальная температура резания металла, оС; σвн, σвх – прочность на разрыв нагретого и холодного металла, соответственно, кг/мм2.
Результаты расчетов показывают, что тепловое воздействие на режущий инструмент при резании с нагревом уменьшается.
Шероховатость поверхности Rа формируется в процессе механической обработки резанием и зависит от физико-механических свойств материала заготовки и
режущего инструмента, режимов резания, геометрии режущей грани инструмента,
величины вибрации при резании, нароста образующегося на резце, температуры резания и ряда других факторов. На основании выявленных закономерностей и многофакторного моделирования расчетом получена зависимость шероховатости обработанных поверхностей холодным резанием и резанием
с нагревом от режимов
резания и нагрева заготовок:
V 0,02+lnv ⋅ S 0,14+lnS ⋅ t 0,005+lnt ⋅ Т 0,427
н
Rа =
,
(11)
0,04+ lnТн
0,35
V
⋅ Тн
где V- скорость резания, м/мин.; S – подача, мм/об; t – глубина резания, мм; Tн- температура нагрева, оС.
Для резания с нагревом и холодного резания металла построены графики зависимости параметров шероховатости от температуры и скорости обработки Rа = f
(Т,V) при S = const и t = const (рис. 6).
Рисунок 6 – Зависимость параметров шероховатости стали от скорости обработки холодного
резания и обработки с нагревом при S = const
10
Сравнение графиков дает основание утверждать, что в результате резания с
нагревом шероховатость обработанных поверхностей на черновом этапе близка к
шероховатости чистового точения.
Степень наклепа G определяется по изменению микротвердости поверхности
до обработки Н μисх (МПа) и после нее H μобр (МПа) из выражения:
H обр − Н исх
G = μ исх μ ⋅ 100%.
(12)
Нμ
В третьей главе представлена методика и результаты исследований, направленные на обеспечение восстановления цилиндрических деталей обработкой
наплавленного слоя резанием с нагревом и термоупругопластическим деформированием.
В качестве обрабатываемых наплавленных материалов применяли образцы
Ø 45…50 мм и L = 300 мм с наплавленным слоем металла вдоль оси, поперёк и тангенциально, из конструкционных сталей 40Х, 45, а также легированной стали
20Х13, отличающихся химическим составом, механическими и теплофизическими
свойствами.
Результаты исследований показали, что нагрев наплавленного слоя до температуры разупрочнения 400-550 ºC позволяет резать металл с меньшим усилием резания в 2- 4 раза. Стойкость инструмента при холодном резании наплавленного металла оказалась ниже стойкости инструмента при обработке наплавленного металла
с нагревом.
Установлено, что наибольшее влияние на стойкость инструмента при резании
наплавленного металла оказывает величина подачи и температура нагрева наплавленного металла. Кроме этого, обработка нагретого наплавленного металла резко
снижает шероховатость обработанной поверхности при одновременном увеличении
производительности и повышении точности обработки.
По данным экспериментальных замеров с учетом граничных областей изменения величины подачи, скорости и глубины резания, а также прогрева заготовки на
заданную глубину получена зависимость величины усилия резания от режимов и
температуры нагрева заготовки пламенем горелки:
V1, 03 ⋅ S1, 005 ⋅ t 0, 01
.
Р z = 20,4
(13)
Т1,86
Выведенная на основе экспериментальных данных формула (13) позволила
построить зависимости усилия от режимов резания и нагрева при изменяющихся
скорости V = 1,57…251,2 м/мин и подаче S = 0,08…0,54 мм/об (рис. 7).
Рисунок 7 – Зависимость усилия Рz от режимов резания и температуры нагрева заготовки при Т = 400оС и t = 0,8 мм
Таким образом, при резании на
величину усилия Рz значительное
влияние оказывают скорость и глубина резания, а также величина подачи.
11
При проведении эксперимента применялись три конструкции накатника.
Поскольку при обработке поверхности шариковым накатником имело место образование борозд на поверхности покрытия, то для исследования качества ТУПД наплавленного металла сконструирован, изготовлен и опробован роликовый накатник.
Показатели замеров шероховатости поверхностей, предварительно обработанных резанием с нагревом и имевших регулярную шероховатость в результате применения проходного отогнутого резца с углом в плане φ = 45°, а затем обработанных поверхностным деформированием роликовым накатником с шириной пояска
l=5 мм (без охлаждения ролика), приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты замеров шероховатости Rа наплавленных
поверхностей стальных деталей
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
4.
5.
Режимы резания с нагревом
проходным резцом отогнутым
S,
мм/об
t,
мм
0,52
4,0
0,43
n,
мин-1
300
500
800
1200
1600
300
500
800
1200
1600
T,
ºС
500
450
Rа,
мкм
2,7
2,6
2,8
2,7
2,9
3,0
3,1
3,3
3,2
3,1
Режимы накатывания наплавленной
поверхности роликовым накатником
без охлаждения
S,
мм/об
Р,
Н
l,
мм
0,52
120
0,43
5,0
Шероховатость
Rа, мкм
1,7
1,7
1,6
1,6
1,5
1,2
1,2
1,1
1,1
1,0
Результаты сравнительного исследования накатывания роликовым накатником
приведены в табл. 2.
Таблица 2 – Результаты сравнительного исследования шероховатости
Исходная шероховатость
поверхности детали, мкм
1
2,8
2,9
2,8
2,5
Замеры
2
2,7
3,0
2,8
3,3
3
2,8
3,0
2,9
2,9
Шероховатость поверхности после
Шероховатость после обкатки
обкатки роликовым накатником
роликовым накатником нагретой
холодной поверхности, мкм
поверхности, мкм
Замеры
Замеры
1
2
3
1
2
3
0,2
0,1
0,2
–
–
–
0,1
0,1
0,1
–
–
–
–
–
–
0,6
0,7
0,7
–
–
–
0,8
0,6
0,6
Из таблицы 2 видно, что величины параметров шероховатости при обработке нагретого металла по сравнению с холодным накатыванием снижаются в 5,5…6 раз.
Дальнейшие эксперименты показали, что накатник для ТУПД должен быть
водоохлаждаемым и иметь определенные геометрические размеры. Первый накатник шириной 5 мм, за счет нагрева вышел из строя. Далее был сконструирован широкий роликовый накатник 11мм с внутренним водяным охлаждением (рис. 8).
12
Шероховатость поверхности, полученной ППД широким роликом с водяным охлаждением, сопоставима с отделочными этапами тонкого шлифования. При этом поверхность получается гладкой с зеркальным блеском (рисунок 9).
Рисунок 8– Роликовый широкий
накатник с внутренним
водяным охлаждением
Рисунок 9 – Обработка нагретой поверхности
детали, охлаждаемой роликовым накатником
с шириной кольца роликового подшипника 11 мм
Результаты замеров шероховатости наплавленной поверхности, предварительно обработанной резанием с нагревом, обкатанной широким водоохлаждаемым роликом приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Шероховатость наплавленных стальных деталей после ППД
широким охлаждаемым роликом
№
п/п
1.
2.
Режимы резания нагретых поясков
наплавленного металла проходным
упорным резцом
Rа,
S,
n,
T, ºС
t, мм
мкм
мм/об
мин-1
300
500
0,3
2,0
800
500
1,2
1200
1600
300
500
0,3
4,0
800
650
1,3
1200
1600
Режимы накатывания нагретых
наплавленных поясков стали
на поверхности детали
n,
D, мм
Р, Н
мин-1
300
550
500
600
35,0
800
650
700
1200
750
1600
300
550
500
600
65,0
800
650
700
1200
750
1600
ШероховатостьRа,
мкм
0,3
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,1
0,1
Выполненные расчеты позволили установить, что при длительной работе накатника и его охлаждении распыленным потоком воды из канала диаметром 5 мм
контактирующая с нагретой деталью рабочая поверхность может быть нагрета раскаленной деталью только до температуры порядка 254ºC. Для шарикоподшипниковой стали ШХ15, из которой изготовлен ролик, такой нагрев не приведет ни к потере твердости, ни к потере прочности.
Температурный механизм релаксации напряжений был исследован по эпюрам
остаточных напряжений поверхностного слоя образцов после обработки различными методами. Установленные закономерности были математически описаны в виде
полиномов второй и третьей степеней. При этом коэффициент множественной корреляции для полученных уравнений регрессии составил R= 0,98.
Зависимость изменения остаточных напряжений Δσ вследствие релаксации
за полное время термоэкспозиции по глубине поверхностного слоя h приведены на
рисунках 10 и 11.
13
Рисунок 10 – Зависимость изменения остаточных Рисунок 11 – Экспериментальная зависимость
напряжений Δσ вследствие релаксации от глуби- изменения остаточных напряжений от степени
наклепа после термоэкспозиции приТ= 150 °С,
ны поверхностного слоя h:
τ = 50 ч
Уравнение, описывающее кривую Δσ = f (G) в диапазоне изменения степени
наклепа G= 0...70 %, имеет вид:
Δσ = −1,97 ⋅ 10 −6 ⋅ G 5 + 2,807 ⋅ 10 −4 ⋅ G 4 − 1,132 ⋅ 10 −2 ⋅ G 3 + 8,49 ⋅ 10 −2 ⋅ G 2 +
(14)
+ 4,3399 ⋅ G − 8,0579.
На основании закономерностей изменения напряжений Δσ и степени наклепа
G вследствие релаксации по глубине поверхностного слоя h образцов установлена
зависимость, представленная на рисунке 12.
Эпюры напряжений для образцов различных партий после термоэкспозиции в
течение 50 ч, построенные с использованием полученного уравнения (14), приведены на рисунке 13.
Основной характеристикой поверхностного слоя, определяющей скорость и
величину изменения остаточных напряжений вследствие релаксации, является
плотность дефектов кристаллической структуры материала, косвенно характеризующаяся степенью наклепа G.
Рисунок 12 – Распределение микротвердости
Нμ по глубине поверхностного слоя h образцов: 1, 2 и 3 – наплавленная сталь, соответственно, вдоль, поперек и тангенциально,
4 – на глубине, не затронутой деформацией
Рисунок 13 – Экспериментальные (сплошные
линии) и расчетные (штриховые линии) эпюры
остаточных напряжений σ τ после термоэкспозиции при Т = 150°С и τ = 500 ч
Исследования микротвердости поверхности образцов, имевших после упрочнения степень наклепа G = 30...70 %, показали, что длительная выдержка упрочненных деталей при рабочей температуре не приводит к изменению микротвердости Нμ. Именно поэтому эффект повышения прочностных свойств поверхностного слоя остается неизменным.
14
Результаты анализа исследований свидетельствуют, что релаксация остаточных напряжений в поверхностном слое протекает неравномерно. При этом за первые 50 ч для образцов всех исследованных партий релаксация составляла 14...16 %
первоначальных напряжений, в то время как за 500 ч – 19...22 %. Наблюдаемая тенденция характерна для данного сплава и исследованного температурно-временного
интервала, что подтверждается результатами проведенных исследований.
Для расчета остаточных напряжений в зависимости от длительности теплового воздействия и степени наклепа получена степенная зависимость:
−4 2
−3
σ τ (σ о , τ, k ) = σ о ( τ + 1) − k , и σ τ (G ) = σ о (τ + 1) −1,134⋅10 S +8,81⋅10 S −0,198 (15,16)
где σ τ – остаточные напряжения после релаксации, МПа; σ о – начальное значение
остаточных напряжений, МПа; τ – время, ч; k– константа, зависящая от исходного
значения микротвердости на соответствующей глубине поверхностного слоя.
Зависимость k = f(G), установленная в результате статистической обработки экспериментальных данных, приведена на рисунке 14.
Удовлетворительное совпадение графиков
(кривых) замеров остаточных напряжений, полученных экспериментальным путем и рассчитанных по формуле (16) для обработанных образцов
по различным технологиям, указывает на адекватность полученной модели в исследованном
интервале факторного пространства.
Коэффициент k, являющийся функцией стеРисунок 14 – Зависимость пени наклепа, показывает, что скорость релаксакоэффициента k от степени наклепа ции и вызванное ею изменение напряжений опG (Р=95%) (сплошной линией обо- ределяются микротвердостью Н материала в
μ
значены результаты эксперимента,
данном
сечении
поверхностного
слоя
и не завипунктиром– результаты расчета)
сят от начального уровня напряжений. Рациональная степень наклепа составит – G = 20…30 %.
Исследование микротвердости поверхностных слоев металла, обработанного резанием с нагревом, показало полное отсутствие наклепа. У образцов деталей, обработанных холодным резанием, наклеп имеет место. После ППД наклеп возвращается.
Исследования изменений структуры металла при обработке поверхностного
слоя наплавленных деталей с нагревом проводили по стандартным методикам. На
фотографиях (рисунки 15, 16) приведена микроструктура стали 45 и стали 40Х в переходной зоне.
а)
б)
а)
б)
Рисунок 15 – Фотографии структуры наплав- Рисунок 16 – Фотографии структуры наплавлеленного слоя металла: а) в переходной зоне; ного слоя металла:: а) в переходной зоне;
б) стандартная структура стали 40Х (×450)
б) стандартная структура стали 45 (×450)
15
Сравнивая структуру металла в переходной зоне со структурой основного металла, можно сделать вывод, что нагрев переходной зоны делает ее более равновесной и кратковременность нагрева детали в ходе резания с нагревом практически не
меняет структуру металла. Проведенные исследования доказывают, что при повышении усилия давления, росте температурного перепада от СОЖ и нагрева в момент
накатывания толщина слоя уплотненных кристаллов резко увеличивается.
Четвертая глава посвящена разработке ресурсосберегающей технологии и
оценке эффективности её внедрения на ремонтных предприятиях АПК.
Для внедрения технологии резания с нагревом наплавленных поверхностей и
снижения тепловых потерь при нагреве заготовки создана оснастка - теплоизолирующие кулачки патрона токарного станка. Рекомендуемые режимы резания и ППД
с нагревом с обоснованными параметрами и режимами резания приведены в приложениях.
Для оценки эффективности метода с нагревом и ТУПД разработана технология
восстановления вала промежуточного трактора МТЗ-82, обеспечившая снижение
трудоемкости в 3 раза, себестоимости ремонта на 85,24 руб. на одну деталь
(на 1000 деталей – 85тыс.руб), по сравнению с обычным методом ремонта.
Экономическая эффективность от внедрения предложенного термодинамического метода обработки 1000 валов различной сложности в промышленных условиях составит 1939,273 тыс. руб. при производстве одного наименования детали.
Общие выводы
1. Предложенная математическая модель определения усилия накатывания в зависимости от геометрических параметров ролика показала его существенное влияние
на толщину упрочненного слоя. Сила давления ролика на нагретую поверхность должна быть почти в 2 раз меньше давления ролика на холодную поверхность для создания
горизонтальных сдвигающих напряжений и в 3 раза меньше для создания нормальных
к поверхности сжимающих деформаций при сохранении температуры наплавленного
металла в пределах от 400 до 600°C.
2. На основе анализа формирования физико-механических свойств поверхности
деталей резанием и накаткой выявлены основные закономерности создаваемого усилия
их деформирования в зависимости от материала заготовки и режущего инструмента,
режимов резания, геометрии режущей грани инструмента, величины вибрации (частоты и амплитуды) при резании, нароста образующегося на резце и температуры резания.
Установлено, что наилучшая геометрия поверхности деталей, характеризуемая высотным критерием Rz, формируется в нагретом состоянии после обработки совместно спаренными резцом и роликовым водоохлаждаемым накатником.шириной 11 мм. И составляет Rа, = 0,5мкм, что сопоставимо с отделочным этапомо тонкого шлифования.
3. Для обработки нагретого слоя наплавленного металла на деталь определены
границы температурного интервала (400…900°C), а также величины глубины резания и
подачи инструмента в зависимости от температуры нагрева в срезаемом слое наплавленного металла (до 500°С при подаче S = 0,28 мм/об и 600°С при подаче
S = 0,52 мм/об).
4. Выполненные экспериментальные исследования резания с нагревом и ТУПД
позволили получить снижение параметров шероховатости поверхности обработанной
заготовки в 2…2,5 раза (до 1,2 мкм) по сравнению с обработкой без нагрева. Накатыва16
ние нагретой поверхности детали охлаждаемым роликом доводит параметры шероховатости до 0,8…0,5 мкм.,
Получено снижение сопротивления нагретого металла резанию в 1,6…2,2 раза, что является существенным резервом повышения точности размеров на 1…2 квалитета при
механической обработке. Увеличение скорости обработки с параллельным уменьшением величины подачи улучшает качество упрочненной поверхности детали, что позволяет повысить производительность в 5…7 раз за счет совмещения этапности обработки
восстанавливаемых поверхностей.
5. Создана технологическая оснастка для реализации комплексного метода резания металлов с нагревом и термопластическим деформированием обрабатываемых поверхностей деталей в виде теплоизолирующих кулачков патрона токарного станка и
роликового водоохлаждаемого накатника шириной 11 мм.
6. Разработаны и внедрены в производство технологический процесс ремонта вала с нагревом, обеспечивающий повышение производительности ремонта в 3,9 раза,
уменьшение себестоимости 3,2 раза, позволяет снизить затраты энергии в 1.2 раза
7. Проведен технико-экономический анализ внедрения ресурсосберегающей технологии восстановления и упрочнения деталей поверхностно-пластическим деформированием при ремонте с.х. техники.
8. Экономическая эффективность от внедрения предложенного метода обработки
1000 валов различной сложности в промышленных условиях составит 1939,273 тыс. руб.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах:
в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1.Зубенко, Е.В. Метод обработки корпусных чугунных заготовок резанием с нагревом
при ремонте сельскохозяйственной техники / Е.В. Зубенко, И.Н. Кравченко, Е.М. Зубрилина [Текст] // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2012. – №2 – С. 29–31.
2. Зубенко, Е.В. Исследование факторов, определяющих качество поверхности при
восстановлении деталей методом термодинамического упрочнения. / Е.В. Зубенко,
Е.М. Зубрилина [Текст] // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный
ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2012. – №07(81).
– Режим доступа:
http://ej.kubagro.ru/2012/07/pdf/65.pdf, 0,813 у.п.л.
3. Зубенко, Е.В. Влияние резания с нагревом на прочностные свойства наплавленных
деталей. / И.Н. Кравченко, А.В. Сельдяков [Текст] // Труды Всероссийского научноисследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машиннотракторного парка: Том 113 ГОСНИТИ. – Москва, 2013. – 0,5 (0,3) п.л.
4. Зубенко, Е.В. Исследование тепловых параметров и режимов обработки наплавленного слоя термоупругопластическим деформированием при восстановлении деталей /
И.Н. Кравченко, М.Н. Ерофеев [Текст] // Труды Всероссийского научно-исследовательского
технологического института ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка: Том 113
ГОСНИТИ. – Москва, 2013. – 0,6 (0,3) п.л.
патенты:
5. Пат. №2460614 Российская Федерация МПК В23С 3/00. Способ механической обработки деталей из конструкционных сталей резанием [Текст] / И.Н.Кравченко, Зубрилина
Е.М., Зубенко Е.В. и др.; заявитель и патентообладатель Кравченко И.Н. – 2011137846,
Заяв.15.09.2011; Опубл. 10.09.2012, Бюл. №25. – 6 с.: ил.
17
6. Пат. №124204 Российская федерация МПК B23B 31/02. Зажимное устройство для
крепления детали [Текст] / Е.В. Зубенко, И.Н. Кравченко, Е.М. Зубрилина; заявитель и патентообладатель Зубенко Е.В. – №2012137076, Заяв. 31.08.2012; Опубл. 21.01.2013 Бюл. № 2.
7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 012619447 Расчетная программа «Расчет теплового поля системы покрытие-основа с перемещающейся
границей» (РП «System Grad»). / Е.В. Зубенко, И.Н. Кравченко Е.М. Зубрилина // заявл.:
28.08.2012 №2012617205.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ по заявке
№ 2012619448 Программный комплекс «Система численного расчета остаточныхнапряжений в покрытиях повышенной толщины «Zeus»(ПК «System Zeus») /
Е.В. Зубенко, И.Н. Кравченко, Е.М. Зубрилина // заявл.: 28.08.2012 №2012617206.
монографии, брошюры:
9. Зубенко, Е.В. Термодинамическое упрочнение сварных и наплавленных изделий
сельскохозяйственного машиностроения: монография [Текст] / И.Н. Кравченко, Е.М. Зубрилина, А.В. Шиян – Ставрополь, 2012. – С. 390.
в других изданиях:
10.Зубенко, Е.В. Разработка системы автоматизированного проектирования технологических процессов упрочнения и восстановления деталей сельскохозяйственного машиностроения. / Е.В. Зубенко, И.Н Кравченко, Е.М. Зубрилина [Текст] // Теоретический, научнопрактический журнал: Машинно-технологическая станция. – 2011. – №5. – С. 45–48.
11. Зубенко, Е.В. Тенденции развития методов нанесения защитных покрытий в России и за рубежом [Текст] / Е.М. Зубрилина, И.Н. Кравченко // Сборник научных трудов по
материалам Международной научно-практической конференции: Актуальные проблемы
научно-технического прогресса в АПК. – Ставрополь, 2011. – С. 122–127.
12. Зубенко, Е.В. Исследование параметров обработки деталей поверхностнопластическим деформированием с нагревом [Текст] / Е.В. Зубенко, Е.М. Зубрилина,
В.Ю. Гладкова, М.А. Гладков // Научно-технический сборник. Выпуск 23: ВТУ при Спецстрое России. – Балашиха, 2012. – С. 154–164.
13. Зубенко, Е.В Повышение точности и качества ускоренной обработки наплавленных
поверхностей металлоизделий термодинамическим упрочнением [Текст] / Е.В. Зубенко,
И.Н. Кравченко, А.В. Шиян // Научно-технический и производственный журнал: Все материалы. Энциклопедический справочник. – Москва, 2012. – №4.
14. Зубенко, Е.В. Деформационное упрочнение и восстановление деталей машин термомеханической обработкой [Текст] / Зубенко Е.В, Зубрилина Е.М. // Материалы 8-й международной научно-практической конференции «Инновации в науке - 2012», Том 26.
«Технологии», София, «Бял ГРАД-БГ» ООД. – Болгария, 2012. – С. 3–6.
15. Зубенко, Е.В. Совершенствование конструкции зажимного кулачка для токарной
обработки с нагревом [Текст] / Е.В. Зубенко, Зубрилина Е.М. // Сборник научных трудов
по материалам Международной научно-практической конференции: Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК. – Ставрополь, 2012. – С. 116–119.
16. Зубенко, Е.В. Improving tne process of deformation in thermal elasticoplastic repair
shaft / Кravchenko Igor, Zubrilina Elena // Jubilej International Conference «Traktori I pogonske
masini». – Сербия, 2013. – С. 65–72.
18
Подписано в печать 18.11.2013. Формат 60х84 1/16.
Гарнитура «Таймс». Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0.
Тираж 100. Заказ № 532.
Отпечатано в типографии издательско-полиграфического комплекса СтГАУ «АГРУС»,
г. Ставрополь, ул. Пушкина, 15.
19
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
927 Кб
Теги
0c5bd42211, uploaded
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа