Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электротехнология

Диссертационная работа:

Казаков Юрий Николаевич. Электротехнологические и механо-металлургические воздействия при наплавке в производстве изделий с заданными свойствами : диссертация ... доктора технических наук : 05.09.10, 05.03.01.- Саратов, 2004.- 490 с.: ил. РГБ ОД, 71 05-5/701

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:
  1. Электротехнологические и термосиловые эффекты формообразующих операций , 20

  2. Плазменный (дуговой) разряд п технологических целях. 30

  3. Технологические возможности механической обработки наплав-лепного металла. .: 37

  4. Энергетические и гидрометаллургические аспекты электродуговой наплавки. 39

  1. Классификация, деталей, подлежащих наплавке. 39

  2. Базовые характеристики плазменных (дуговых) разрядов. 43

  3. Электротехнологические и термосиловые факторы, определяющие тепловые условия и гидромеханику формоизменения металла 51

  4. Эффекты внешних воздействий на металл и пу?пиуправления формообразованием при наплавке. 53

1.5. Формулировка цели и задач исследования. 56
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОЛОГИИ СТРУКТУРНО-
ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИ
ЧЕСКИХ И МЕХАНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТ
ВИЙ, АДАПТИРОВАННЫХ К УСЛОВИЯМ НАПЛАВКИ
(теорет ический прогноз). 5 7

2.1. Этапы и стадии электротехиологических и механо-
металлургических процессов формообразования; 57

2.2. Анализ и структуризация электротехнологических и механо-

металлургических параметров и факторов воздействий на ме
талл наплавки. 65

2.3. Алгоритм научного поиска условий реализации синтеза элекгро-

технологических и механо-металлургических операций. 70

2.4. Методические аспекты исследований процесса формообразова-

ния и свойств металла при комплексной наплавке. 78

2.4.1. Осциллографирование электротехнологических парамет
ров.
78

  1. Электромоделирование тепловых процессов на электропроводной бумаге. 82

  2. Формообразование и свойства металла переменного состава при наплавке образцов с регулируемым профилем.

2.4.4. Технические средства обеспечения исследований качества
формообразования и свойств наплавленного металла.
88

ВЫВОДЫ 2 ГЛАВЫ. 90

3. АКТИВИЗАЦИЯ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛО
ГИЧЕСКИХ И МЕХАНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТ
ВИЙ НА МЕТАЛЛ НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ НАПЛАВКИ.
(Этап построения теории). 91

3.1. Формообразование на стадиях дозированного переноса металла в

межэлектродном промежутке и наведения ванны. 91

3.1. L Особенности процесса переноса и растекания наплавлен
ных порций металла.
91

3.1.2. Моделирование контактного взаимодействия обособлен-

ных порций металла с подложкой. 95

3.1.3. Теоретическое описание границ растекания жидкой

ванны. 99

3.1.4. Активизация процесса наплавки на этапе наведения жид-

кой ванны. 105

  1. Распределение теплового потока, генерируемого электрической дугой. 105

  2. Дуговая наплавка в газопламенно й среде. 1 Об

  3. Использование экзотермических реакций при электродуговой наплавке. 109

  4. Эффекты вибрационных воздействий. 112

3.1.5. Схемы формообразования на этапе наведения жидкой
ванны.
116

3.1.6. Разработка схем формообразования пучком электродов 121
3.1.6.1. Моделирование процесса нагрева пучка электродов 121

3.1.6.2. Схемы формообразования обособленных порций металла (тигельный принцип)

3.2. Формоизменение наплавляемого металла на этапе его кристаллиза
ции из жидкой ванны.

3.2.1. Активизация процесса перехода наплавленного металла из

жидкой фазы в твёрдое состояние. іуу

  1. Теоретическая модель формирования припуска при кристал лизации металла в наплавочных формах. 133

  2. Схемы активизации наплавки на этапе кристаллизаци

из жидкой фазы. 141

3.3. Формообразование наплавляемого металла на этапе фазоструктур-

ных изменений.. 146

3.3 J. Механизм и основные явления контактного взаимодействия в сопряжённых поверхностях. -

  1. Схемы наплавки с горячим деформированием

  2. Внешнее воздействие на металл в твёрдой фазе режущим

инструментом.

3.3.4. Схемы обработки резанием наплавляемого металла входе
его нанесения.

3.3.5. Теоретическое обоснование принципа безотходной обработ
ки металла резанием.

ВЫВОДЫ 3 ГЛАВЫ. 4. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИНТЕЗА ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И МЕХАНО-МЕТАЛЛУР-ГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. (Этап развития-теории). 4.1. Совершенствование средств подачи электродов и дозирования наплавочных материалов на этапе наведения ванны.

  1. Постановка задач.

  2. Совершенствование технических средств обеспечения при передаче мощности дуги в изделие.

  3. Армирование токосъёмников для обеспечения стабилизации горения дуги:

  4. Средства дозирования обособленных порций металла при МЭН.

4.2. Средства обеспечения качества формообразования на этапе

кристаллизации металла из жидкой ванны. 197

4.2.1. Разработка материала наплавочных форм и воспроизведение

ихрелъефа. 197

4.2.2. Воспроизведение тонкого рельефа и заполняемость НФ из

формовочных смесей различной рецептуры. 203

4.2.3. Точность размеров и припуски при нанесении металла в на-
плавочные формы.
207

^ 4.3. Средства технологического оснащения на стадиях фазосіруктурньїх

превращений металла, 212

4.3.1. Обоснование целесообразности применения ЛЭМД в качест
ве привода режущего инструмента.
212

* 4.3.1.1. Кинетика и режимы тангенциального терморезания

с приводом инструмента от ЛЭМД. 212

4.3.1.2Аналитическое определение энергетических и сило
вых режимов и основных размеров конструктивных
элементов ЛЭМД.
216

4.3.2. Обоснование целесообразности применения ЛЭМД в качест-

ве привода ФЭ при вытеснении Выбор материала наплавоч
ных форм и исследование степени воспроизведения их фор
мы и рельефа.
222

4.3.2.1. Аналитическое определение силовых режимов ЛЭМД

при вытеснении металла. 222

4.3.2.2. Анализ тяговых характеристик ЛЭМД при вытесне
нии наплавляемого металла.
227

У*

4.3.2.3. Расчёт температуры нагрева обмотки
ЛЭМД с учётом тепла наплавочной ванны.
229

4:3.2.4. Электронный блок управления силовыми характери
стиками ЛЭМД.
233

4.3.3. Оптимизация геометрии режущего инструмента по крите
риям стружкообразования и стойкости.
236

А А. Технологическое оснащение МЭН. 241

4.5. Наплавочные установки с гибкой модульной конфигурацией для

реализации синтеза формообразующих операций. 245

ВЫВОДЫ 4 ГЛАВЫ. 259

5/ ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И МЕХАНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА. (Этап утверждения теории).

  1. Постановка задач исследования.

  2. Формирование химического состава и физико-механических свойств металла наплавленного на этапе наведения ванны.

5.3. Регулирование функциональных свойств металла на этапе его кри-

сталлизации из жидкой ванны.

5.3.1. Регулирование химического состава и твёрдости

металла с помощью присадочного материала. 5:3.2. Формирование сплава переменного состава.

5.4. Управление свойствами наплавленного металла на этапе перекри-

сталлизации и охлаждения.

  1. Наплавка с направленным охлаждением.

  2. Оценка трещиностойкости сплавов, наплавленных по различным технологическим вариантам принудительного фор-мообразован ия.

  3. Теоретическое и экспериментальное обоснование снижения остаточных напряжений и деформаций терморезанием металла в домартенситной зоне.

  4. Сравнительная износостойкость образцов, наплавленных при различных внешних воздействиях.

ВЫВОДЫ 5 ГЛАВЫ.

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМПЛЕКСНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ КАЧЕСТВА ФОМООБРАЗОВАНИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ. (Практическое применение).

  1. Методический аспект.

  2. Характерные примеры применения комбинированной наплавки для

получения деталей с улучшенными свойствами.

6.2.1. Конструкторско-технологическая оптимизация катушки

барабана с износостойкой наплавкой крановых лебёдок.

6.2.2. Обоснование целесообразности наплавки опорных слоев пе-

ременного состава при восстановлении колесных пар ж/д
вагонов.
327

6.2.3. Оптимизация формы наплавленной поверхности,

соответствующей геометрии естественного износа 333

б 2.4. Технологические приёмы наплавки сложнопрофилъных дета
лей.
337

  1. Коленчатый вал с бронзовым покрытием (эффект обратной пары) ' 344

  2. Конструкторско-технологическая оптимизация шпека мас-лопресса. 349

  3. Наплавкарелсущихэлементов строительно-дорожных ма-

шин (СДМ) 351

6.2.8. Наплавка режущих элементов ножа для рубки катанкии гра-

вюры штампов. 358

3. Формирование шероховатости поверхности при нанесении металла с

принудительным формообразованием. 363

4. Экономическая оценка технических решений (на примере техноло-

гии восстановления колёсной нары). 366

ВЫВОДЫ 6 ГЛАВЫ. . 369

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ. 371

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. 374

ПРИЛОЖЕНИЯ. 390

Приложение 1. Пракгическое применение. 391

Приложение 2: Математическая обработка результатов исследований

процессов формообразования, тепловых процессов.

Осциллограф ированис. 412

Приложение 3. Средства технологического оснащения. 451

Приложение 4. Структура и свойства наплавленного металла. 462

Приложение 5. Шероховатость поверхности. 475

Введение к работе:

Актуальность. Спрос на детали с наплавленными рабочими элементами (НРЭ) непрерывно растёт из-за необходимости повышения надёжности и долговечности изделий, роста объёма ремонтного производства (по своим масштабам оно стало соизмеримо с основным). Производство деталей всё чаще сопровождаются освоением дуговых (плазменных) процессов. Однако спонтанный и нестабильный характер переноса металла в межэлектродном промежутке (МЭП), наведения ванны и кристаллизации, низкий коэффициент термического КПД наплавки, часто сводят к нулю многие её достоинства и сужают область применения. Повышенные твёрдость и припуски (более половины наплавленного металла уходит в стружку) затрудняют механическую обработку. Её доля в структуре общей трудоёмкости производства часто превышает 50%. Поэтому при выборе наплавочных материалов исходят не из условия качества металла, а из его лучшей обрабатываемости.

Существующие приёмы активизации тепловых и гидромеханических процессов, используемых в различных технологиях, ориентирует на идею технологического синтеза наплавки с электротехнологическими воздействиями. Реализация этой идеи наталкивается на ряд ограничений, связанных с отсутствием научно обоснованных методов, средств технологического оснащения и режимов обработки металла. Стеснённые условия для применения формообразующих элементов (ФЭ), их недостаточная стойкость (деструкция) и повышенная опасность стекания расплава, также придают проблемный характер комплексного воздействия-на металл адаптированных к наплавке.

Цель работы: обеспечить высокое качество формообразования и заданные функциональные свойства деталей машини инструмента, используя комплекс электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл в условиях наплавки.

Работа выполнялась в следующей последовательности.

В первой главе проведён структурный и параметрический анализ различных методов получения заготовок, который выявил сходства и различия, а также положительные эффекты от дополнительных термосиловых воздействий на металл. Затем был составлен эмпирический базис из наиболее близких по техническим замыслам работ ведущих учёных из различных отраслей знаний:

теплогидромехапики литья: Г.Ф. Баландина, А.И. Батышева, В.А. Ефимова, И.Б Куманина, B.C. Серебро, Н.А Соколова [14, 17, 21];

термосилових, импульсных и контактных явлений при ОМД:

В. Бэкофена, И.Ф. Гончаревича, ГЛ. Гуна, Д. Кумабэ, П.И Полухина, Я.С. Подстрогача и др. [31, 50, 55,. 131, 170, 249, 274, 283];

стружкообразования и формирования качества поверхности при обработке резанием: В.Ф. Безъязычного, Г.И. Грановского, Н.Б Дёмкина, М.Н.Ларина, Т.Н. Лоладзе, В.Н. Подураева, Э.В. Рыжова, СВ. Серенсена, А.Г. Суслова, Е.М. Трента и др. [22, 62,187];

физико-металлургических и тепловых процессов сварки и наплавки A.M. Болдырева, А.А. Ерохина, Е.О. Патона, В.М. Кряжкова, Г.И. Лескова, Н.М. Новожилова, ГШ.Рыкалина и др. [32, 68,126, 134];

формообразования при совмещённых технологиях Б.М. Аскинази, Н.И. Бойко, И.Р. Пацкевича, А.Н. Резникова, Л.А. Иванова, Г.А. Иващенко, М.М. Сафарова, М.А. Шатерина и др., [34, 72, 174, 209].

Структуризация базисного слоя информации послужила теоретической основой для разработки идеи об использовании тепла, генерируемого дугой и аккумулированного в наплавляемом объекте, для синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл и позволил сформулировать задачи исследования: - оценить эффективность использования тепловой энергии, генерируемой электрической дугой (плазмой) при наплавке по критериям качества формообразования и свойств наплавленного металла;

провести структурно-параметрический анализ внешних воздействий на металл, адаптированных к условиям наплавки, и разработать методологию исследований процессов формообразования с внешним воздействием;

с позиции тгплогидромеханики и контактных взаимодействий определить условия синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл и их регулирующие функции',

- разработать средства технологического оснащения, обеспечи
вающие практическую реализацию технологического синтеза формооб
разующих операций;

определить основные закономерности влияния параметров и факторов внешних воздействий при наплавке на функциональные свойства металла (включая трибологические);

провести оценку эффективности методов и средств внешнего воздействия на металл по критериям стойкости ФЭ, точности, функциональных свойств деталей машин и инструмента и экономической целесообразности.

Составленная система взглядов на процессы формообразования деталей с НРЭ и логика научного поиска методов и средств управления формообразованием и свойствами деталей позволила перейти к разработке общей методологии работы и разработке частных методик исследований.

Во второй главе разработана общая методология структурно-параметрического синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл в ходе его нанесения.

Методы и средства исследований базировались на фундаментальных положениях электротехнологических процессов с привлечением теории классической гидромеханики, пластичности, тепловых и контактных явлений, а также с использованием математического и физиче-

ского моделирования (на моделях из электропроводной бумаги-[121 ]и образцах переменного сечением и состава [165]).

Качество металла оценивалось с помощью металлографии, фазост-руктурного анализа, исследований твёрдости и трещиностойкости, шероховатости поверхности, износостойкости, дилатометрии и деформаций с широким привлечением методов планирования экспериментов, математической статистики, ЭВМ.

Многообразие деталей по конструктивно-технологическим параметрам и многоаспектный характер взаимосвязей наплавочных процессов потребовали дифференцированного подхода к изучению процессов принудительного формообразования металла. В этой связи разработан разветвлённый алгоритм поисковой оптимизации процессов управления формообразованием и свойствами НРЭ, предполагающий проведение исследований по трём, связанным общей идеологией, этапам:

  1. - наведения ванны расплава;

  2. - кристаллизации из жидкой ванны;

  3. ~ фазоструктурной рекристаллизации.

Анализ эмпирического базиса показал, что наплавку можно отнести к слабо структурированным системам. Построение многофункциональных зависимостей позволило наметить пути минимизации погрешностей формы и размеров НРЭ.

Для определения взаимосвязей электротехнологических параметров с каплеобразованием при наплавке с внешним воздействием на электрод предложено использовать модульное устройство регистрации электрических сигналов на стадии переноса металла в МЭП-

Опираясь на идеи Н.М. Новожилова [165], предполагалось проводить исследования геометрические параметров и свойства наплавленного металла формообразования путём разработки технологий получения образцов из сплавов переменного состава в сочетании с математическим планированием экспериментов. При этом из множества вариантов тем-

пературно-скоростных параметров режима и средств технологического оснащения планировалось выбрать наиболее рациональные с точки зрения получения заданной формы НРЭ.

Результаты исследований: Л,И. Коздобы [121] свидетельствуют об эффективности метода электромоделирования на электропроводной бумаге, основанного на аналогии тепловых и электрических процессов. Этот метод принят для определения теплоаккумулирующей способности расплава, изучения теплообменньгх процессов в контактных зонах ФЭ, а также повышения термического КПД наплавки.

В третьей главе с позиции гидромеханики и контактных взаимодействий составлены математические и физические модели, расчётные и технологические схемы, адекватно отражающие условия синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл и их регулирующие функции в процессе преобразования электрической энергии в тепловую, при растекании ОПМ, Экспериментальная проверка подтвердила целесообразность применения электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл за счёт следующих технологических приёмов:

а - дозирования ОПМ (косвенной дуги, схем бифилярного плавления, защемления порошка между электродами, неплавящегося электрода-жёлоба, пучка электродов с центральной проволокой с большим омическим сопротивлением);

б - исполъзованияНФ и промежуточных элементов из смесей оригинальной рецептуры, пуансонного вытеснения, погружения стержней, вибрируемых электродов, подложек и ФЭ;

в - ввода термореагирующих присадок, локального охлаждения, удержания металла от стекания и технологических приёмов МЭН;

г - тангенциального терморезания в ходе нанесения металла; д -применения процесса снятия стружки возвратно-качательным инстру-

ментом и её усвоения теплом наплавочной ванны (эффект безотходно-сти при обработке резанием)

В четвёртой главе разработаны средства технологического оснащения и серия наплавочных установок, отличающихся оригинальным приводом исполнительных механизмов от линейного электрормагнит-ного двигателя и гибкой модульной конфигурацией, включающих:

а - НФ и ФЭ из полимеризуемых, электропроводных, теплопогло-

щающих, кераминизированных компонентов;

б - механизм подач электродов, обеспечивающих возможность изменять тепловую мощность дуги за счёт варьирования количества (от 1 до ]5), диаметра (0,5...5мм), марки проволок и частоту их вибрации;

в - комплекс формообразующих устройств, включая промежуточные тегагопоглощающие, электропроводные ФЭ;

г - электромагнитный привод исполнительных механизмов, обеспечивающий согласованные действия процессов нанесения металла, его вытеснения в жидкой, твёрдой и промежуточной фазах, и терморезания;

д - возвратно-качательный инструмент, обеспечивающий принцип безотходной обработки металла резанием в процессе его нанесения.

Разработанные средства технологического оснащения позволили перейти к согласованным действиям по изучению влияния параметров и факторов внешнего воздействия на металл на его свойства.

В пятой главе получены закономерности и взаимосвязи между параметрами и факторами воздействия на металл с помощью полимеризуемых электропроводных НФ, вытесняющих, режущих и экзотермических ФЭ, повышающие свойства металла за счет:

дробления дендритов, измельчения зерна и снижения коэффициента вариации (2-5%) по структуре, твёрдости, однородности металла;

- уменьшения шероховатости (1 - 5 мкм), припуска на обработку (0,1 - 0,5 мм) и воспроизведения тонкого рельефа ФЭ (до 5 мкм))

повышения трещиностойкости, износостойкости НРЭ;

снижения деформаций за счёт снятия металла в домартенситной зоне в ходе его нанесения,

армирование и легирование_метапт СВС — присадками и карби-дообразующими материалами в периферийных зонах НФ.

Разработанные средства технологического оснащения и результаты исследования свойств наплавленного металла легли в основу разработки наплавки характерных деталей различного назначения.

В шестой главе раскрыты возможности использования электротехнологических эффектов для получения деталей машин и инструментов с улучшенными свойствами. Разработанные технологии комплексной наплавки позволяют снизить металлоёмкость изделий, экономить остродефицитный металл, расширить номенклатуру упрочняемых деталей, повысить их функциональные свойства и вести обработку с эффектом «безотходности» и т.п. В частности установлено, что:

с помощью приёмов дозированного нанесения металла получать мелкие изделия и НРЭ малых размеров;

путём термосилового воздействия получать тонкий и СЛОЖНЫЙ рельеф гравюр штампов, деталей художественного назначения, зубчатого профиля, выступов, утолщений; режущие элементы;

имеется возможность получать НРЭ для обратных пар трения, сплавов переменного состава, с высокими трибологическими свойствами и для поверхностей, соответствующих форме естественного износа.

технологические возможности пуансонного вытеснения могут быть использованы для формообразования гравюр штампового инструмента, деталей художественного назначения, деталей зубчатого профиля, различного рода выступов и утолщений в изделиях:

армирование лезвия ножей для рубки катанки увеличило их стойкость в 1,8-2,1 раза по сравнению с закалённой сталью 65Г.

Эффект создания переменного дискретного слоя был проявлен при конструкторско-технологической оптимизации рабочего профиля катушки барабана лебёдок Л600 путём нанесения двух валиков разных по форме, размерам и химическому составу. Это позволило улучшить фиксацию каната при укладке и увеличить его стойкость в 5...9 раз за счёт более равномерного распределения сил нормального давления и увеличения числа и площади контактов каната с жёлобом.

Применение присадок позволяет реализовать идею В. В Шульца, заключающуюся в соответствии формы профиля детали, с формой естественного износа и создать опорные слои в зоне экстремального на-гружения. Применение обратных пар трения путём нанесения бронзового покрытия на вал позволяет коренным образом изменить характер изнашивания сопряжённых пар, упростить технологию обработки и конструкцию деталей подшипникового узла, а также повысить ресурс узлов трения по сравнению с прямой парой за счёт повышения коэффициент рационального использования трибосопряжения в 2,2 раза.

Эффект от использования НФ из полимеризуемых керамизиро-ванных смесей оригинального состава проявился при разработке новой конструкции шнековых витков маслопрессое с функциональными рёбрами, что позволило снизить выход масла в отходы с 19 % до 5 %.

Применение МЭН с последовательным расположением электродов. разных между собой марок и использованием медного водоох-лаждаемого кристаллизатора с теплоизолирующим маршалитовым покрытием, а также направленного охлаждения позволяет реализовать эффект самозатачивания ножей отвалов снегоочистительной техники.

Эффект снижения деформаций установлен в результате исследования дилатометрических кривых и экспериментального определения величины прогиба пластин при снятии стружки в домартенситной зоне.

Величина деформации при комплексной наплавке пластин толщиной 22

мм сократилась в 2.. .4 раза.

Научная новизна работы заключается в разработке концепции

синтеза электротехнологических и механо-металлургических воздействий на металл, адаптированных к условиям наплавки, позволяющих получать технологические эффекты и закономерности, которые выносятся на защиту к заключающаяся в следующем:

1.. Установлена возможность активного управления формообразованием НРЭ за счёт использования тепла, генерируемого дугой и аккумулированного в наплавляемом объекте, а также временного разупрочнения металла в процессе его нанесения путём электротехнологических и механо-металлургических воздействий.

  1. Разработана методомогия исследования электротехнологических и механо-металлургических воздействий на. металл, отражающая механизм и особенности процесса фомообразования на стадиях нагрева электродов, дозированного переноса в МЭИ, наведения жидкой ванны, кристаллизации и охлаждения металла.

  2. Получены физические и математические модели, расчётные соотношения, адекватно отражающие закономерности тепловых и гидромеханических условий комплексной наплавки.

  3. Созданы средства технологического оснащения и наплавочные установки, отличающиеся гибкой модульной конфигурацией и позволяющие реализовать положительные эффекты технологического синтеза путём использования НФ, вытесняющих, деформирующих и режущих ФЭ и оригинального привода исполнительных механизмов от линейного электромагнитного двигателя (ЛЭЦЦ).

7. Установлены закономерности и взаимосвязи, отражающие влияние электротехнологических и механо-металлургических параметров и факторов на качество формообразования и функциональные свойства НРЭ. При этом выявлены следующие технологические эффекты:

-повышение точности дозирования OHM за счёт применения не-плавящегося электрода жёлоба, пучка электродов с центральной проволокой (порошком) и бифилярной схемы тигельного плавления;

- дробление дендритов, измельчение зерна и снижение коэффици
ента вариации (2 - 5%) по структуре, твёрдости, однородности металла,
повышение трещиностойкости НРЭ за счёт наложения одиночных уда
ров и низкочастотных вибраций подвижных стенок НФ и ФЭ, перемеши
вания присадок в ванне расплава;

- воспроизведение тонкого рельефа, минимизация припуска на об
работку (О, J.'- 0,5 мм) за счёт использования ФЭ, полимеризуемых и
электропроводных НФ и промежуточных элементов, экзотермических
брикетов
в периферийных зонах НРЭ;

-снижение деформаций деталей с НРЭ путём снятия металла в до-мартенситной зоне в ходе его нанесения

8. Разработаны технологии наплавки, расширяющие сферу её применения и позволяющие получать детали машин и инструмента с улучшенными функциональными свойствами. Доказана возможность вести процесс комплексной наплавки с эффектом «безотходности» и выгла-живания за счёт пуансонного вытеснения металла и переплава стружки, снимаемой возвратно-качательным резцом в ходе наплавки

Практическая ценность и реализация работы. Полученные научные результаты положены в основу разработки новых и оптимизации существующих технологических процессов нанесения металла для получения изделий с улучшенными функциональными свойствами (прочностными, трибологическими, электроэрозионными, с минимальным припуском, тонким рельефом, сложным профилем, с армированными слоями, для обратных пар трения, получения заготовок и деталей медицинского и художественного назначения и пр). Разработанные средства технологического оснащения легко адаптируются к любым условиям

производства и являются и позволяют осуществить быструю переориентацию производства в условиях рыночной конъюнктуры.

Оценка свойств деталей по критериям технико-экономической целесообразности показали высокую эффективность при внедрении разработок для широкой номенклатуры деталей (катушек лебёдок Л600; коленчатого вала горизонтально-высадочного автомата А-П 19; барабанов волочильных станов; шнековых витков маслопрессов; деталей ж/д вагонов; ножей бульдозеров; штампов и др. деталей).

Достоверность и эффективность разработок подтверждены результатами теоретических и экспериментальных исследований с привлечением современных методов и средств научных исследований, статистической обработкой, экспериментальной проверкой, моделированием, аналитическими расчётами, а также внедрением результатов исследований в производство и учебный процесс.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 26 Всесоюзных, Республиканских, Всероссийских и зональных научно-технических конференциях и семинарах с 1970 г. по 2004 т, в городах: Москве, Киеве, Санкт-Петербурге, Самаре, Кишинёве, Уфе, Харькове, Екатеринбурге, Волгограде, Краматорске; Рыбинске, Пензе, Орле, Перьми, а также на различных выставках в Москве (ВДНХ, серебряная медаль), во ВТУЗе АЗЛК; в Лейпциге.

Публикации и структура работы. По теме диссертации имеется 118 публикаций (в том числе: 10 публикаций в центральной печати, включённых в перечень периодических изданий ВАКа РФ, I монография, 14 авторских свидетельств на изобретения и патентов, 6 учебных пособий, внедрённых в учебный процесс.

Работа состоит из 6 глав на 390 с, списка литературы, 252 рисунка, 69 таблиц и 90 с. приложений.

1 СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И АНАЛОГИЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МЕТАЛЛ И ИХ ОЦЕНКА ПО КРИТЕРИЯМ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

(постановка .задач) 1.1. Электротехнологические и термосиловые эффекты формообразующих операций

В условиях истощения сырьевых ресурсов (табл. 1.1 [140]), экологических и социально-экономических затруднений особую значимость обретают ресурсосберегающие технологии, которые всё чаще сопровождаются освоением методов наплавки, (табл. 1.2), среди которых доминируют плазменные и дуговые процессы (рис. 1.1, 1.2) [151, 177, 270].

Таблица 1.1

Разведанные и потенциальные запасы металлов в мире [140]

Добыча в 1974 г. .
Рост добычи в год, %

Таблица 1.2

Удельный вес затрат в машиностроении [76, 151]

Литьё гіугунно±

26%

13.% Резание

12%

Ковка

25%

Рис. 1.1. Структура заготовительного производства

Тыс. т

Тыс. т

1960 65 70 75 80 85 90 99. 1960 65 70 75 80 85 90 97

Рис. 1.2. Производство сварочных (а) и наплавочных (б) материалов. 1 - штучные электроды; 2 - порошковые провояоки и ленты; 3 - порошки высоколегированных сплавов и смесей; 4 - материалы на основе карбидов вольфрама; 5 - спечённые материалы

Уже на стадии заготовительного производства закладываются условия неконкурентпоспособности машиностроительной продукции, доля которого в себестоимости изготовления деталей машин с каждым годом растёт. За последние годы она увеличилась с 19% до 35 % [151].

Широко освоенные промышленностью процессы формообразования часто не обеспечивают достаточной точности, качества поверхности и эксплуатационных характеристик деталей, табл. 1.3.

Таблица 1.3 Сравнительная характеристика базовых методов формообразовния\\ЪЪ]

Неблагоприятно сложившаяся структура машиностроения привела к тому, что значительная доля деталей изготавливается из отливок (26 %, против 12 % в США) и ковки, у которых низкий коэффициент использования материала (0,33 - из отливок и 0,55 -из поковок) [31].

Нерационально низкие физико-механические свойства металлов часто приводят к повышению металлоёмкости изделий. Порой отечественная техника в 2-3 раза тяжелее своих зарубежных аналогов [141].

Во многом эти проблемы могут быть решены за счёт применения заготовок составной конструкции (в частности с НРЭ [15, 241]).

В заготовках составной конструкции с НРЭ полнее реализуются все достоинства, присущие каждому из материалов, входящих в состав комбинированного изделия, что является важным, поскольку даже в одной детали в разных её частях возникают неодинаковые по величине и знаку напряжения, деформации, трибологические свойства и пр. Технологичность конструкции таких деталей (ТКД) может быть гораздо выше, по сравнению с монолитной конструкцией. К общим показателям ТКД можно отнести: технологическую себестоимость (Сг), материале- и энергоёмкость (Муд, Эуд [15]):

Ст = Си.+ С3+ Сн; МуД = Рм/РдЛэ; Эуд = Р0/РдПы

где: См - стоимость материала; Сз ~ заработная плата; Сц - накладные расходы; Рм, Рэ - расход материала и электроэнергии на одну деталь; Рд- ресурс детали; По - полезный эффект.

Для более полного определения ТКД можно использовать следующие показатели: общий показатель (Ко), удельный ( Ку), относительный (Кот) и сравнительный (Ко) [241].''

К0= К-1 + К2 +...+ Кп; КУ0/П; К = K0/Ki; Кс = Ю/КБ;

где и - общее число рассматриваемых свойств; / - принятый показатель; б - базовый показатель; Р - главный (определяющий) параметр детали. Требуемый уровень ТКД определяется надёжностью технологического процесса наплавки, который равен произведению вероятностей безотказной работы [150]:

P(t) = Px(t) Py(t) РМ (1.1)

По каждому из контролируемых факторов режима наплавки qh qi, ...qn (энергетических, геометрических и гидромеханических факторов), являющихся функцией времени т, устанавливаются показатели качества готовой продукции X, У, Z (например, воспроизведение тонкого рельефа, однородность структуры и пр.):

X(r=0(qhq2, -, qn> т); У(т)=Ф(дд2,:.,дя> т); Z (t)=hq2,..., q v). (1.2)

Под надёжностью ТП понимают его способность сохранять установленные параметры качества (например, твердости, прочности сцепления, износостойкости, структуры, обрабатываемости и пр.) изделия в заданных пределах в течение заданного времени.

Использование в качестве первичной заготовки изношенной детали является эффективным средством экономии материальных и денежных ресурсов, особенно в условиях истощения сырьевых ресурсов. При этом количество операций на механическую обработку сокращается в 5...7 раз [145]. В тоже время часто возникают проблемы технологической несовместимости основного и наплавляемого металлов, а также трудности, связанные с последующей механической обработкой НРЭ [72, 74].

Изготовление деталей в специальных кристаллизаторах характеризуется максимальным приближением формы и размеров заготовки и готового изделия. Эти процессы используют при электрошлаковом переплаве (ЭШП) [294...297]. Применение кристаллизаторов при ЭДН весьма ограничено из-за громоздкости и низкой теплостойкости. [79].

Плазменная (дуговая) технология может коренным образом изменить конструкцию изделий, получать их с улучшенными свойствами, снизить массу, сократить число технологических операций [154, 223, 265, 301, 308 и др.].

1.2. Плазменный (дуговой) разряд в технологических целях

В ряде производств плазменно-дуговая технология превратилась в

обязательный технологический процесс (табл. 1.4) \\55... 161, 182 и др.]

Таблица 1.4 Применение плазмы (дуги) для технологических целей

В работах, ИЭС им, Патона, Харьковского, Челябинского, Саратовского институтов механизации и электрификации сельского хозяйства, ГОСНИТИ, МАДИ и научных школ, возглавляемых В.А. Наливкиным, В.М. Кряжковым, В.А Какуевицким и др. приведены данные по относительной износостойкости и усталостной прочности наплавленных деталей. Они свидетельствуют о значительных резервах наплавочных процессов за счет создания новых способов наплавки [148, 155.,.161 и-др.].

Остаётся проблематичной наплавка режущего и штампового инструмента. Его работа сопряжена с высокой температурой (250 ... 1000.С) и большим давлением (700...1000 МПа) в контактных зонах. Эти проблемы связаны с неоднородностью и неравномерностью распределения химического состава, структуры. Поэтому разработка мер, направленных на лучшее перемешивание металла сварочной ванны и полноту протекания металлургических процессов, может служить реальной предпосылкой для улучшения функциональных свойств деталей.

Как оказалось, в плазме химические реакции и металлургические процессы ускоряются за счёт высокой скорости нагрева (7...30 тыс. С в

течение тысячных долей с). В связи с этим можно предположить, что сочетание экзотермических реакций (термитных [224] и СВС — реакций [149]) с плазмой позволит активизировать металлургические процессы на периферии наплавочной ванны и локально легировать деталь, улучшая её фазоструктурный состав и свойства.

Выбором материала основы, электродов, присадок и защитных сред закладываются условия формирования свойств деталей. Например, стойкость валков прокатного стана, наплавленных спеченной лептой ЛС-5Х4ВЗМ2ФС в 1,5-1,8 раза выше, чем у валков наплавленных проволокой ҐЩ-ЗХ2В8 и в 4 раза - выше валков без наплавки [227].

Сегодня не в полной мере востребованы эффекты мартенситноста-реющих, дисперсионно твердеющих, карбидообразующих сталей, СВС -материалов для модифицирования и армирования антифрикционных слоев. Большим препятствием применению КПЗ для-целей-изготови-тельной наплавки (доля которой всего 23 % по массе) является возникновение нежелательных остаточных напряжений и деформаций деталей. Применение упрочняющих технологий (ТО, ХТО, ППД, УЗО) в ходе наплавки создаёт дополнительные резервы улучшения качества деталей. Но их практическая реализация не всегда экономически оправдана.

В создавшихся условиях развития мелкого бизнеса и предпринимательства на первый план выдвигаются требования простоты и универсальности технологии получения' заготовок и требуемого качества деталей. Особенно проблематично получать НРЭ на мелких изделиях, деталях с тонкой стенкой, со специфическими свойствами.

Ретроспективный анализ способов наплавки. Развитие наплавки связано с именем талантливого инженера Н.Г. Славянова, который еще в 1890 году считал одним из важнейших технологических приёмов «наливание слоя металла на поверхности». В 1896 г. Спенсер получил патент на изобретение в области упрочнения деталей. В 30 г распростра-

няется дуговая наплавка покрытыми электродами, что существенно расширило возможности дугового разряда.

Новый этап развития наплавки начался в начале 40-х г, когда для повышения качества металла стали применять флюсы. Их состав выбирают из условия стабильности процесса, легирования металла и свободного удаления шлака. Зернистость флюса назначается в зависимости от толщины наплавки. Чем тоньше слой, тем зерно должно быть мельче [190]. Сохранение тепла за счёт низкой теплопроводности флюса способствует более равномерному распределению химического состава и структуры наплавленного металла. Попытки примешивать к флюсу ферросплавы во многих случаях оказались удачными техническими решениями при восстановлении деталей, требующих высокие трибологиче-ские свойства. По данным И.И. Доценко добавка к флюсу АН-348А 2,5% феррохрома и графита повысила твердость до 60 HRC. Но сепарация при пересыпаниях и сильная зависимость состава металла от режима наплавки вызывают химическую и структурную неоднородность.

В 50-х годах в работах Ф.Ф. Смирнова, К.П. Имшенника, В.А. Ла-пидуса, Н.К. Колесникова, СМ. Фрейгельмана и др. показано, что режущий и штамповый инструмент с НРЭ обладает высокими функциональными свойствами [35], Это направление продолжает развиваться и сегодня на более совершенном техническом уровне с применением специальных наплавочных материалов (дисперсионно-твердеющей стали типа 09Х32Н9С2М2Г, быстрорежущих сталей 10М6Ф2С, Р18, М6Ф1 и др.). Определённых успехов в этом направлении достигли ПО «КАМАЗ», ИЭС им. Е.О. Патона, Московский опытно-сварочный завод и ряд других крупных предприятий и учреждений. Внедрение наплавки на инструментальных заводах сдерживается высокой трудоёмкостью и недостаточным качеством НРЭ.

Появление порошковых проволок в начале 60-х г, расширило возможности легирования. Однако они обладают большой гигроскопичностью [36, 125, 302] и высокой стоимостью.

В 70-х г популярной оказалась плазменно-порошковая наплавка и напыление для нанесения жаропрочных, тугоплавких износостойких покрытий, в том числе цветных сплавов [54]. Но сложность оборудования, трудности, связанные с сепарацией порошков, невысоким коэффициентом сцепления покрытия снижают эффективность этого способа.

Львовским политехническим институтом предложен способ вибродуговой наплавки, который позволяет наплавлять сложнорельефные поверхности. Но излучающее действие дуги, разбрызгивание металла и выгорание легирующих элементов при невысокой производительности н= 8-Ю г/А ч) снижают достоинства этого способа, {табл. 1.5).

Таблица 1.5 Производительность различных способов наплавки, Q кг/ч

В 70-х гг. массовое распространение получила наплавка колеблющимся электродом. Перемещение дуги по поверхности изделия ослабляет столбчатость структуры [59], рассредотачивает тепло дуги и снижает опасность стекания расплава. Благодаря этим свойствам и высокой

производительности способ продолжает совершенствоваться.

В середине 70-х г получила развитие электрошлаковая наплавка (ЭШН). При этом способе в 1,5 раза снижаются затраты на электроэнергию, участие основного металла в наплавленном слое сокращается до 5... 10 %, металл рафинируется [296], Однако ЭШН эффективна для крупных деталей при толщине наплавки более 10 -14 мм [294, 297, 305].

Наплавка лентойпод слоем флюса тоже обладает высокой производительностью (до 50 кг/ч). Но при этом имеются ограничения по ширине наплавки (<100 мм) и трудности, связанные с подачей и удержанием флюса. При ширине наплавки более 50 мм появляется повышенная склонность к образованию непроваров [296].

Возможность варьирования количеством, расстановкой, диаметром, марками электродов, подачей их в зону горения дуги с разной между собой скоростью выгодно отличает многоэлектродную наплавку (МЭН) от других способов нанесения металла [277, 301]. Она значительно производительнее и экономичнее ОЭН.

С мелкокапельным переносом в сварочной ванне связана полнота металлургических процессов. За счёт высокой Т капель (2200. С), импульсного характера горения дуги (т -0,05-0,2 с), короткими замыканиями в течение 0,01-0,08 с), повышенной плотности тока (в 4 раза больше чем при ОЭН), поочередного плавления электродов, наличия магнитных полей, уменьшение суммарного колебания тока (до 10 %) снижаются тепловложение в деталь, деформации, глубина проплавлення (10-15%), выгорание легирующих элементов и расход электроэнергии (на 25 %) на 1кг наплавки.

С уменьшеїіием глубины проплавлення и тепловложения в деталь, можно ожидать снижения внутренних напряжений и деформаций после наплавки. Широкому применению МЭН способствуют работы ИЭС им. Е.О. Патона (им созданы аппараты А-372,А-475,А-480, А-513 и др.), работы ВНИИЖТа (созданы механизмы подачи проволоки и многоэлек-

тродные установки МН-А-1, МН-ОК-1, ЦНИИ-МА 7 [180]), ташкентского института ж/д транспорта, саратовского политехнического института [80, 84j 100, 102,154, 301, 315 и др.], направленные на совершенствование технологии МЭН. Не смотря на явные преимущества МЭН, возможности её при восстановлении деталей с тонкой стенкой и малого диаметра сильно ограничены главным образом из-за опасности стекания и сквозного проплавлення металла. Частично эти недостатки можно устранить путём применения присадочных порошков, порошковой ленты или проволоки, металлокерамическои ленты, стержня, крупки и стружки. Но, несмотря на очевидную эффективность этого технологического приёма наплавки, возникает ряд вопросов, связанных с полнотой усвоения и равномерностью распределения химического состава и структуры, морфологией наплавленного слоя, деформацией.

Особые затруднения возникают при последующей механической обработке высококачественных покрытий. Часто её доля составляет более 50-70 % в структуре себестоимости восстановления деталей [34, 72].

1.3. Технологические возможности механической обработки наплавленного металла

Подобные работы
Слепцова Салима Курмангалиевна
Влияние модифицирующего нетеплового воздействия СВЧ электромагнитных колебаний на физико-механические свойства полимерного волокнистого материала
Казаков Юрий Николаевич
Электротехнологические и механо-металлургические воздействия при наплавке в производстве изделий с заданными свойствами
Макаров Алексей Владимирович
Свойства и совершенствование технологии производства мясных изделий с использованием продуктов переработки перепелов
Масюров Владимир Юрьевич
Разработка ПВХ-композиций с регулируемыми свойствами для производства профильно-погонажных изделий
Гончаров Денис Алексеевич
Использование кедрового жмыха в производстве мясных, кондитерских изделий и исследование их потребительских свойств
Бак Динь Тхиен
Структура и свойства крупноразмерных керамических строительных изделий и технология их производства
Зотов Сергей Владимирович
Структурообразование и формирование свойств самофлюсующихся покрытий, обеспечивающих повышение износостойкости инструмента для производства керамических изделий
Малофеева Светлана Анатольевна
Свойства рафинированных и частично-легированных железных порошков из новых источников сырья для производства высококачественных порошковых изделий
Шевченко Олег Игоревич
Управление структурой, составом и свойствами покрытий при плазменной наплавке за счет технологических воздействий
Жуков Николай Павлович
Многомодельные методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств изделий из твердых неметаллических материалов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net