Повышение эффективности нанесения износостойких покрытий комбинированным способом обработки в условиях малых ремонтных предприятий

Журнал: «Сельскохозяйственная техника: обслуживание и ремонт», №8, 2017 13:11:00г.
coverage, electrical impulse method, the combined method of processing, surface plastic deformation, the filler powder.</p></div> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>В настоящее время при подготовке техники к новому сельскохозяйственному сезону ежегодно подвергается ремонту 58 % тракторов, 75 % зерноуборочных комбайнов и 50 % автомобильного парка. Однако до 20 % машинно-тракторного парка не участвует в проведении работ из-за технических неисправностей.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Одним из основных резервов повышения эффективности использования техники, экономии материальных, топливно-энергетических и трудовых ресурсов является нанесение металлопокрытий при изготовлении новых и восстановлении изношенных деталей. Экономическая целесообразность восстановления обусловлена возможностью повторного и неоднократного использования деталей, изношенных на 65…75 %. Себестоимость восстановления не превышает 10…30 % стоимости новых деталей, а расход материалов в 15…20 раз ниже, чем на их изготовление.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Перспективным в этом направлении является нанесение износостойких покрытий с низкотемпературным воздействием на материал основы при использовании малогабаритного и простого в обслуживании технологического оборудования электроимпульсным способом. Применение присадочных ферромагнитных порошков позволяет направленно формировать требуемую структуру покрытий и управлять процессом получения заданных физико-механических свойств.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Однако в рыночных условиях экономического спада ремонтного производства традиционные технологические решения, ориентированные на массовый и крупносерийный тип производства, утратили практическую значимость. Реформирование экономики невозможно без развития и совершенствования различных форм хозяйствования, одна из которых — малые экономические структуры, которые рассматриваются в качестве символа производственной мобильности, рыночной гибкости и инновационной восприимчивости.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Углубление специализации в научных разработках привело к тому, что во многих случаях малые предприятия работают в неперспективных отраслях и довольно успешно конкурируют на рынках с крупными предприятиями. Массовый выпуск сельскохозяйственной техники вызывает потребность в промышленных услугах по ее ремонту и обслуживанию, которые часто осуществляют малые ремонтные предприятия, так как монополии вынуждены создавать разветвленную сеть филиалов.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Кроме того, существующие технологии требуют исследования исходных параметров изношенных деталей, такие как технологическая наследственность, полученная после предыдущей эксплуатации, и химический состав материала, что является трудновыполнимой задачей в условиях малых ремонтных предприятий. Особенно остро стоит вопрос ремонта импортной техники, когда необходимо восстанавливать детали с неопределенным химическим составом.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Таким образом, повышения эффективности нанесения износостойких покрытий можно добиться путем разработки комбинированного способа обработки, основанного на технологических возможностях электроимпульсного способа и принципах технической самодостаточности малых ремонтных предприятий, заменяющих применение традиционного оборудования и получающих качество, сопоставимое с качеством продукции, изготовленной по существующим технологиям.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Существенный вклад в развитие теоретических основ по нанесению износостойких покрытий внесли ученые: В. И. Черноиванов, В. П. Лялякин, А. В. Поляченко, Р. А. Латыпов, Е. А. Пучин, Р. Ю. Соловьев и многие другие. В результате анализа работ этих авторов установлено, что нанесенные износостойкие покрытия требуют последующей механической обработки при использовании дорогостоящих инструментов и дополнительного технологического оборудования. Кроме того, поиск соотношений, определяющих количественные связи параметров качества с основными технологическими параметрами, традиционно связан с установлением технологической наследственности, полученной после предыдущей эксплуатации, и химического состава материала детали. Особенно остро стоит вопрос нанесения металлопокрытий на детали импортной техники с неопределенным химическим составом [1].</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Одним из основных резервов повышения эффективности нанесения износостойких покрытий электроимпульсным способом является использование технологического тепла, выделяемого при наплавке, для интенсификации совместной отделочно-упрочняющей обработки. Распространение тепла при электроимпульсном способе мощным и быстродвижущимся сосредоточенным источником, перемещающимся на поверхности по винтовой линии, можно представить как результат суммарного воздействия кольцевых мгновенных источников в сочетании с процессом выравнивания температур, что соответствует известному способу совместной обработки конструкционных сталей резанием и поверхностным пластическим деформированием, включающему нагрев обрабатываемой поверхности ацетиленкислородной горелкой. Преимущество комбинированного способа обработки заключается в исключении дополнительного источника нагрева за счет использования технологического тепла, выделяемого при наплавке.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Глубина упрочненного слоя h является основным результатом комбинированного способа обработки. Существует оптимальное значение h, при котром предел выносливости деталей имеет наибольшее значение. При восстановлении и упрочнении деталей необходимо располагать возможностью расчетного прогнозирования глубины упрочненного слоя. Решение этой задачи основано на теории напряженного состояния упрочняемой поверхности, согласно которой на глубине, большей h, сохраняется напряженное состояние, соответствующее чисто упругой деформации на глубине, меньшей h, имеет место пластическая деформация [2]. На глубине, равной h, значение эквивалентного напряжения σ<sub>экв</sub> соответствует пределу текучести σ<sub>0,2</sub> упрочняемого материала: σэкв = σ<sub>0,2</sub>.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Выражая наибольшее давление ρ<sub>0</sub> в точках продольной оси симметрии площадки контакта как:</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/d820f5273079500f545795f2c7928c5d257136eb.png"> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>где: q — удельная рабочая нагрузка, Н/мм </p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>π = 3,14, b — полуширина остаточного отпечатка от цилиндрического ролика, мм, получим (1):</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>(1)</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/2_01.png"> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>По формуле (1) строим график зависимости относительной глубины упрочненного слоя h/b от относительного коэффициента к = q / b · σ<sub>0.2</sub> (рис. 1). Каждому значению относительного коэффициента q / b · σ<sub>0.2</sub> соответствует два значения относительной глубины упрочненного слоя h/b. Известно, что при первоначально линейном контакте пластическая деформация впервые возникает на глубине, равной h = 0,8b. Таким образом, относительная глубина упрочненного слоя не может быть меньше 0,8, поэтому при практическом использовании построенного графика исследуем только его верхнюю часть. Значение h/b = 0,8 отвечает ординате точки перегиба графика. В момент появления пластической деформации на глубине h = 0,8b величина эквивалентного напряжения σ<sub>экв</sub> в этой точке соответствует (2):</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/image002_01.png"> <p>Рис. 1. График зависимости относительной глубины упрочненного слоя от относительного коэффициента</p> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>(2)</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/ab9d4d39f060b9ff52f42a9705f7bdf688945238.png"> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>Таким образом, абсцисса точки перегиба графика соответствует:</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/e002f5707cccf40413cc64b9304c704d17bc2907.png"> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>В общем случае верхнюю часть графика можно аппроксимировать уравнением (3):</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>(3)</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/22949df1e07058b7a7c7284c5494303fefab5a8e.png"> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>При комбинированном способе обработки возникает остаточный отпечаток от цилиндрического ролика. Пластическая деформация в точках продольной оси симметрии площадки контакта впервые появляется, когда эквивалентные напряжения в этих точках достигают предела текучести σ<sub>0.2</sub>:</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/6561ce558f3b15209a8112cce6b7140e3a12f32d.png"> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>где: μ = 0,3 — коэффициент Пуассона.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Таким образом:</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/0b1effc760831faf2abe19f2234b7f04ac227e8b.png"> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>Практическая реализация верхней части графика происходит при значениях q / b · σ<sub>0.2</sub> ≥ 3,925. С учетом этого условия график может быть описан линейной зависимостью (4):</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>(4)</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/72f3242defe930175a953023044dc808663ec038.png"> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>Полуширина b остаточного отпечатка определяется по формуле (5):</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>(5)</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/2e39820770b8f9bc7ee71eb0247668a2b2da913c.png"> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>С учетом зависимости (5) формула (4) примет вид (6):</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>(6)</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/123b274413f8e6a9af7d8b6a1e28c43674a99d13.png"> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>для конструкционных сталей k<sub>1</sub> = k<sub>2</sub> = = 1,45 · 10<sup>–6</sup> МПа<sup>-1</sup>.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Таким образом:</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>(7)</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/441385bea1023c12066fb19181a272af877e04aa.png"> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>Предварительными экспериментальными исследованиями установлено, что реальная ширина остаточного отпечатка, возникающего при комбинированном способе обработки, отличается от рассчитанной теоретическим путем. Учитывая зависимости, определяющие ширину 2b остаточного отпечатка при первоначально линейном упругопластическом контакте деталей при σ<sub>0.2</sub> = (0,2…0,22) НV, форму-ла (7) примет вид (8):</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>(8)</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/ff13718cd1fbf6d7c968609066c34c537c583474.png"> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>Таким образом, на основе закономерностей теории упругости для случая внедрения цилиндрического ролика в поверхность детали получено простое решение задачи о расчетном прогнозировании глубины упрочненного слоя в зависимости от удельной рабочей нагрузки q, радиуса цилиндрического ролика R и физических свойств обрабатываемого материала, его пластической твердости НV (рис. 2, 3).</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/image014_01.png"> <p>Рис. 2. Зависимость глубины упрочненного слоя h, мм, от удельной рабочей нагрузки q, Н/мм, и радиуса цилиндрического ролика R</p> </div> <!--Картинка--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/image015_01.png"> <p>Рис. 3. Зависимость глубины упрочненного слоя h, мм, от удельной рабочей нагрузки q, Н/мм, и пластической твердости HV, МПа</p> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>Установлен характер изменения температуры в поверхностном слое восстанавливаемой детали. Температура детали на глубине 0,5 мм не превышает 320 °С, на глубине 3,5 мм — 200 °С и на глубине 6,5 мм — 140 °С (рис. 4). Нагретое до разупрочненного состояния металлопокрытие позволяет использовать технологическое тепло, выделяемое при наплавке, для интенсификации отделочно-упрочняющей обработки путем совместной механической обработки резанием и поверхностного пластического деформирования с помощью комбинированных инструментов [3].</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/image016_01.png"> <p>Рис. 4. Изменение температуры поверхностного слоя в зависимости от времени начала процесса на глубине 1–6,5 2–3,5 3–0,5 мм</p> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>Деление способов отделочной и упрочняющей обработки на две груп­пы: резание и поверхностное пластическое деформирование не яв­ляется принципиальным, так как для обеих групп образование поверхности связано с пластическим деформированием слоя металла. Разница состоит только в том, что при обработке резанием пластическое напряженное состояние локализуется у режущей кромки инструмента, что приводит к образованию стружки, а при поверхностном деформировании плас­тическое напряженное состояние создается в значительном объеме металла, обеспечивая его безотрывное течение. Кроме того, эти способы механической обработки поверхностей базируются на единых ки­нематических схемах и поэтому легко трансформируются один в другой.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Особенностью комбинированного способа обработки является то, что полюсный наконечник и комбинированный инструмент в форме скобы-двухполюсника имеют одинаковую скорость обработки (скорость продольной подачи и окружную скорость). Выбор независимых технологических параметров обусловлен тем, что они оказывают основное влияние на параметры процесса: удельная рабочая нагрузка q, Н/мм напряженность магнитного поля H, А/м рабочий зазор Δ, мм скорость продольной подачи S, мм/об окружная скорость V, м/с. В качестве параметров оптимизации приняты: производительность процесса G глубина упрочненного слоя h, мм шероховатость поверхности R<sub>a</sub>. Уровни варьирования основных технологических параметров представлены в табл. 1. Обработку полученных данных производили с помощью пакета прикладных программ MATHCAD PLUS 6.0.</p> <!--Абзац--> <!--Подзаголовок--> <h3>Таблица 1</h3> <!--Подзаголовок--> <!--Подзаголовок--> <h3>Уровни варьирования основных технологических параметров</h3> <!--Подзаголовок--> <!--Таблица--> <div class="table-holder"> <table class="table"> <colgroup> <col > <col > <col > <col > <col > <col > </colgroup> <tbody> <tr > <td rowspan="3">Уровни</td> <td colspan="5">Технологические параметры</td> </tr> <tr > <td > q, H/мм </td> <td > Н, А/м </td> <td >Δ, мм</td> <td > S, мм/об </td> <td > V, м/с </td> </tr> <tr > <td > x<sub>1</sub> </td> <td > x<sub>2</sub> </td> <td > х<sub>3</sub> </td> <td > x<sub>4</sub> </td> <td > x<sub>5</sub> </td> </tr> <tr > <td >+2</td> <td > 250</td> <td >140</td> <td >0,6</td> <td >0,30</td> <td >0,10</td> </tr> <tr > <td >+1</td> <td >225</td> <td >120</td> <td >0,5</td> <td >0,25</td> <td >0,09</td> </tr> <tr > <td >0</td> <td > 200</td> <td >100</td> <td >0,4</td> <td >0,20</td> <td >0,08</td> </tr> <tr > <td >–1</td> <td >175</td> <td >80</td> <td >0,3</td> <td >0,15</td> <td >0,07</td> </tr> <tr > <td >–2</td> <td >150</td> <td >60</td> <td >0,2</td> <td >0,10</td> <td >0,06</td> </tr> </tbody> </table> </div> <!--Таблица--> <!--Абзац--> <p>Математическая модель, определяющая зависимость производительности Y<sub>1</sub> = G шероховатости Y<sub>2</sub> = R<sub>a</sub> глубины упрочненного слоя Y<sub>3</sub> = h от основных технологических параметров q, Н, Δ, S, V в нормированном виде, соответственно X<sub>1</sub>, Х<sub>2</sub>, X<sub>3</sub>, X<sub>4</sub>, X<sub>5</sub> имеют следующий вид:</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>(9)</p> <div class="picture"> <img src="img/images/21.png"> </div> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>(10)</p> <div class="picture"> <img src="img/images/22.png"> </div> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>(11)</p> <div class="picture"> <img src="img/images/23.png"> </div> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Установлено, что технологические параметры по-разному влияют на параметры оп­тимизации, зависимость носит экстремальный характер. Обусловле­но это совместным действием электрической, магнитной, тепло­вой и механической энергий (рис. 5…8).</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/image017_01.png"> <p>Рис. 5. Зависимость производительности G (1), шероховатости R<sub>a</sub> (2) и глубины упрочненного слоя ε (3) от удельной рабочей нагрузки q</p> </div> <!--Картинка--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/image018_01.png"> <p>Рис. 6. Зависимость производительности G (1), шероховатости R<sub>a</sub> (2) и глубины упрочненного слоя ε (3) от напряженности магнитного поля Н</p> </div> <!--Картинка--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/image019_01.png"> <p>Pис. 7. Зависимость производительности G (1), шероховатости R<sub>a</sub> (2) и глубины упрочненного слоя h (3) от продольной подачи S</p> </div> <!--Картинка--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/image020_01.png"> <p>Рис. 8. Зависимость производительности G (1), шероховатости R<sub>a</sub> (2) и глубины упрочненного слоя h (3) от окружной скорости V</p> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>Удельная рабочая нагрузка q является основным параметром, расширяющим технологические возможности способа. При увеличении до q = 250 Н/мм происходит уменьшение шероховатости поверхнос­ти и увеличение глубины упрочненного слоя. Дальнейшее увеличение q по­чти не изменяет шероховатость поверхности и стабилизирует глубину упрочненного слоя. При q > 375 Н/мм в поверх­ностном слое покрытия возникают напряжения, при которых образуются трещины. Таким образом, оптимальным является удельная рабочая нагрузка q при условии 250 < q < 375 Н/мм [4].</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Напряженность магнитного поля Н влияет на каче­ство покрытия и на его толщину. При Н < 60 А/м порошок слабо удерживается на поверхности детали и формируется пористое покрытие. С повышением напряженности магнитного поля толщина покрытия и глубина упрочненного слоя увеличиваются. При значениях Н < 60 А/м глубина упрочненного слоя уменьшается, повышается шероховатость поверхности. Начиная с Н > 140 А/м наблюдается нестабильность возникновения электрических разрядов и образование скоплений порошка по мнимым дефектам. Таким образом, наиболее интенсивно и с высоким качеством комбинированный способ обработки происходит при выполнении условия: 90 < Н < 125 А/м [4].</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Величина рабочего зазора Δ < 0,3 мм не дает возможности присадочному порошку, не участвовавшему в процессе, пройти рабочую зону, что вызывает короткое замыкание. Величина рабочего зазора Δ > 0,5 мм увеличивает длину цепочек из намагниченного порошка, что снижает их жесткость, повышает пористость покрытия, снижает производительность процесса.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Влияние продольной подачи S и окружной скорости V на производительность про­цесса является основным из рассматриваемых технологических параметров. Установлено, чем больше величина продольной подачи S и окружная скорость V, тем выше производительность процесса. Изменение продольной подачи в пределах 0,06…0,25 мм/об оказывает незначительное влияние на качество покрытия.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Однако увеличение по­дачи более 0,35 мм/об вызывает увеличение шероховатости по­верхности. Оптимальными являются про­дольная подача S и окружная скорость V, при которых удовлетво­ряются условия: 0,2< S< 0,3 мм/об и 0,07< V< 0,09 м/с [4].</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>С учетом уровня значимости основные технологические параметры расположены в порядке убывания влияния на параметры оп­тимизации следующим образом (табл. 2).</p> <!--Абзац--> <!--Подзаголовок--> <h3>Таблица 2</h3> <!--Подзаголовок--> <!--Подзаголовок--> <h3>Степень влияния технологических параметров на параметры оптимизации</h3> <!--Подзаголовок--> <!--Таблица--> <div class="table-holder"> <table class="table"> <table class="table table-bordered"> <colgroup> <col> <col> <col> <col> </colgroup> <tbody> <tr> <td rowspan="2">Основные технологические параметры </td><td colspan="3">Степень влияния на параметры оптимизации, %</td> </tr> <tr> <td> Y<sub>1</sub> = G </td> <td> Y<sub>2</sub> = R<sub>а</sub> </td> <td> Y<sub>3</sub> = h </td> </tr> <tr> <td>Удельная рабочая нагрузка, q </td> <td>9, 46</td> <td>14, 16</td> <td>33, 77</td> </tr> <tr> <td>Напряженность магнитного поля, Н</td> <td>14, 86</td> <td>21, 39</td> <td>12, 99</td> </tr> <tr> <td>Рабочий зазор, Δ</td> <td>13, 51</td> <td>22, 25</td> <td>25, 97</td> </tr> <tr> <td>Продольная подача, S </td> <td>35, 14</td> <td>17, 92</td> <td>19, 48</td> </tr> <tr> <td>Окружная скорость, V </td> <td>27, 03</td> <td>24, 28</td> <td>7, 79</td> </tr> </tbody> </table></table> </div> <!--Таблица--> <!--Абзац--> <p>Наибольшее влияние на производительность процесса оказывают скорость продольной подачи S и окружная скорость детали V потому, что, помимо тепловых про­цессов, при формировании рельефа поверхности особую роль играют формо-образующие движения. За­мыкает ряд удельная рабочая нагрузка q, которая почти не имеет непосредственного отношения к процессу наплавки. Производительность комбинированного способа обработки достигает 2,1 г/мин, что соответствует электроконтактной приварке присадочных порошков.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Наибольшее влияние на шероховатость поверхности R<sub>a</sub> оказывают окружная скорость детали V и величина рабочего зазора Δ потому, что, помимо перекрытия площадок, при поверхностном пластическом деформировании особую роль играет жесткость цепочек из намагниченного порошка. Шероховатость поверхности при комбинированном способе обработки достигает значений, полученных после операции полирования, R<sub>a</sub> = 0,063…0,080 мкм, и соответствует требованиям технической документации при изготовлении новых деталей [7].</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>На глубину упрочненного слоя наибольшее влияние ока­зывает удельная рабочая нагрузка q. Экспериментальные результаты исследования глубины упрочненного слоя (рис. 9) сопоставлены со значениями, вычисленными по формулам (9) и (10) [5].</p> <!--Абзац--> <!--Картинка--> <div class="picture"> <img src="img/images/image021_01.png"> <p>Рис. 9. Микротвердость по глубине упрочненного слоя: 1 — Б1 2 — ФБХ-6–2 в аргоне 3 — ФБХ-6–2 4 — сормайт-1</p> </div> <!--Картинка--> <!--Абзац--> <p>Расчет по формуле (9), использующей значение ширины остаточного отпечатка, приводит к некоторому завышению расчетных значений h. Это объясняется тем, что при σ<sub>0.2</sub> = 0,21∙НV формула (9) принимает вид 3,16 · (q/D) и отличается от формулы (10) на 10 %. Разница вычисления h снижается с ростом пластической твердости упрочняемой поверхности. Незначительное влияние радиуса R цилиндрического ролика на величину h при комбинированном способе обработки деталей класса «вал» с радиусом R<sub>в</sub> позволяет в разработанных формулах использовать приведенный радиус кривизны: R<sub>пр</sub> = R<sub>в</sub> · R / (R<sub>в</sub> · R). Разница рассчитанных по формуле (10) и экспериментальных значений h не превышает 4…6 %. Таким образом, результаты экспериментальных исследований позволяют использовать полученную теоретическим путем формулу (10) для прогнозирования оптимальной глубины упрочненного слоя и назначать оптимальные режимы обработки. Исходя из требований, предъявляемых к деталям в процессе эксплуатации, на основные технологические параметры наложены ограничения. Получен оптимальный режим: q = 250 Н/мм Н = 100 А/м Δ = 0,4 мм S = 0,25 мм/об V = 0,08 м/с [8].</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>С целью проверки эффективности системы автоматического управления проведены сравнительные исследования, которые предусматривали обработку на оптимальном режиме двух партий образцов. При этом одна партия обрабатывалась с системой автоматического управления по регистрации момента достижения оптимальной глубины упрочненного слоя, а другая — без нее. Результаты исследований показали, что меньшие значения дисперсий (не более 0,5 %) для параметров оптимизации (глубина упрочненного слоя, шероховатость поверхности и производительность процесса) получены для образцов с покрытиями, полученными при использовании системы автоматического управления, что говорит о стабильном протекании процесса.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>Таким образом, анализ современных технологий по восстановлению и упрочнению деталей и технологического оборудования для их реализации показал, что в рыночных условиях экономического спада ремонтного производства традиционные технологические решения, ориентированные на массовый и крупносерийный тип, утратили практическую значимость. Повышение эффективности нанесения износостойких покрытий электроимпульсным способом основано на использовании технологических возможностей способа и принципах технической самодостаточности малых ремонтных предприятий. Для чего разработан комбинированный способ обработки, заменяющий применение традиционного технологического оборудования, с получением качества, сопоставимого с качеством, получаемым при существующих технологиях.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <!--Источники--> <div class="footnote"> <small><p>Литература</p></small> <p>1.Горохова М.Н., Чурилов Д.Г. Нанесение металлопокрытий электроконтактным способом: монография. — М.: Изд-во РГАТУ, 2011. — 48 с.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>2.Горохова М. Н., Полищук С. Д., Абрамов Ю. Н., Бышов Д. Н. Создание износостойких покрытий методами поверхностного пластического деформирования. — Рязань: Изд-во РГАТУ, 2012. — 225 с.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>3.Горохова М. Н., Пучин Е. А., Бышов Н. В., Борычев С. Н. Нанесение износостойких покрытий комбинированными способами обработки в условиях малых ремонтных предприятий: монография. — Рязань: Изд-во РГАТУ, 2012. — 331 с.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>4.Горохова М. Н., Полищук С. Д., Чурилов Д. Г., Горохов А. А. Восстановление и упрочнение деталей ферромагнитными порошками в магнитном поле: монография. — Рязань: Изд-во РГАТУ, 2012. — 162 с.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>5.Горохова М. Н., Бачурин С. Н., Бышов Д. Н., Абрамов Ю. Н., Горохов А. А. Нанесение износостойких покрытий электромагнитной наплавкой: монография. — Рязань: Изд-во РГАТУ, 2012. — 206 с.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>6.Заявка на изобретение № 2010147725/02 РФ, МПК В23К 11/06, опубл. 27.05.2012. Способ электроконтактной роликовой приварки металлических ферромагнитных порошков / В. И. Черноиванов, М. Н. Горохова, И. М. Соцкая, П. С. Орлов, Д. Б. Слинко, М. Ю. Фузеева.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>7.Заявка на изобретение № 2011109898/02, МПК B23K11/10, опубл. 27.09.2012. Способ нанесения покрытия с помощью электроконтактной сварки с использованием порошкового присадочного материала, содержащего железный порошок и присадочный материал для его осуществления / М. Н. Горохова, В. И. Черноиванов, Р. Ю. Соловьев.</p> <!--Абзац--> <!--Абзац--> <p>8.Заявка на изобретение № 2010153240/02, МПК B23K11/06, опубл. 27.06.2012. Способ электроконтактной роликовой приварки металлических порошков / И. М. Соцкая, П. С. Орлов, М. Н. Горохова, В. И. Черноиванов.

Increase of efficiency of applicationof wear-resistant coatings by the combined method of treatment in the conditionsof small repair companies

N. A. Bishov,the head of the «Operation of machine-tractor Park», candidate of technical Sciences, associate Professor

A. A. Gorokhov, officer of the design Bureau

O. A. Onishchenko, the employee of the design Bureau ФБГОУ VPO Ryazan state agrotechnological University R. A. Kosticheva

In the work of a combined method of treatment, which replaces the traditional technological equipment, with the obtaining of a quality comparable, exceeding the existing technologies, received the optimal mode.

Key words: coverage, electrical impulse method, the combined method of processing, surface plastic deformation, the filler powder.

В настоящее время при подготовке техники к новому сельскохозяйственному сезону ежегодно подвергается ремонту 58 % тракторов, 75 % зерноуборочных комбайнов и 50 % автомобильного парка. Однако до 20 % машинно-тракторного парка не участвует в проведении работ из-за технических неисправностей.

Одним из основных резервов повышения эффективности использования техники, экономии материальных, топливно-энергетических и трудовых ресурсов является нанесение металлопокрытий при изготовлении новых и восстановлении изношенных деталей. Экономическая целесообразность восстановления обусловлена возможностью повторного и неоднократного использования деталей, изношенных на 65…75 %. Себестоимость восстановления не превышает 10…30 % стоимости новых деталей, а расход материалов в 15…20 раз ниже, чем на их изготовление.

Перспективным в этом направлении является нанесение износостойких покрытий с низкотемпературным воздействием на материал основы при использовании малогабаритного и простого в обслуживании технологического оборудования электроимпульсным способом. Применение присадочных ферромагнитных порошков позволяет направленно формировать требуемую структуру покрытий и управлять процессом получения заданных физико-механических свойств.

Однако в рыночных условиях экономического спада ремонтного производства традиционные технологические решения, ориентированные на массовый и крупносерийный тип производства, утратили практическую значимость. Реформирование экономики невозможно без развития и совершенствования различных форм хозяйствования, одна из которых — малые экономические структуры, которые рассматриваются в качестве символа производственной мобильности, рыночной гибкости и инновационной восприимчивости.

Углубление специализации в научных разработках привело к тому, что во многих случаях малые предприятия работают в неперспективных отраслях и довольно успешно конкурируют на рынках с крупными предприятиями. Массовый выпуск сельскохозяйственной техники вызывает потребность в промышленных услугах по ее ремонту и обслуживанию, которые часто осуществляют малые ремонтные предприятия, так как монополии вынуждены создавать разветвленную сеть филиалов.

Кроме того, существующие технологии требуют исследования исходных параметров изношенных деталей, такие как технологическая наследственность, полученная после предыдущей эксплуатации, и химический состав материала, что является трудновыполнимой задачей в условиях малых ремонтных предприятий. Особенно остро стоит вопрос ремонта импортной техники, когда необходимо восстанавливать детали с неопределенным химическим составом.

Таким образом, повышения эффективности нанесения износостойких покрытий можно добиться путем разработки комбинированного способа обработки, основанного на технологических возможностях электроимпульсного способа и принципах технической самодостаточности малых ремонтных предприятий, заменяющих применение традиционного оборудования и получающих качество, сопоставимое с качеством продукции, изготовленной по существующим технологиям.

Существенный вклад в развитие теоретических основ по нанесению износостойких покрытий внесли ученые: В. И. Черноиванов, В. П. Лялякин, А. В. Поляченко, Р. А. Латыпов, Е. А. Пучин, Р. Ю. Соловьев и многие другие. В результате анализа работ этих авторов установлено, что нанесенные износостойкие покрытия требуют последующей механической обработки при использовании дорогостоящих инструментов и дополнительного технологического оборудования. Кроме того, поиск соотношений, определяющих количественные связи параметров качества с основными технологическими параметрами, традиционно связан с установлением технологической наследственности, полученной после предыдущей эксплуатации, и химического состава материала детали. Особенно остро стоит вопрос нанесения металлопокрытий на детали импортной техники с неопределенным химическим составом [1].

Одним из основных резервов повышения эффективности нанесения износостойких покрытий электроимпульсным способом является использование технологического тепла, выделяемого при наплавке, для интенсификации совместной отделочно-упрочняющей обработки. Распространение тепла при электроимпульсном способе мощным и быстродвижущимся сосредоточенным источником, перемещающимся на поверхности по винтовой линии, можно представить как результат суммарного воздействия кольцевых мгновенных источников в сочетании с процессом выравнивания температур, что соответствует известному способу совместной обработки конструкционных сталей резанием и поверхностным пластическим деформированием, включающему нагрев обрабатываемой поверхности ацетиленкислородной горелкой. Преимущество комбинированного способа обработки заключается в исключении дополнительного источника нагрева за счет использования технологического тепла, выделяемого при наплавке.

Глубина упрочненного слоя h является основным результатом комбинированного способа обработки. Существует оптимальное значение h, при котром предел выносливости деталей имеет наибольшее значение. При восстановлении и упрочнении деталей необходимо располагать возможностью расчетного прогнозирования глубины упрочненного слоя. Решение этой задачи основано на теории напряженного состояния упрочняемой поверхности, согласно которой на глубине, большей h, сохраняется напряженное состояние, соответствующее чисто упругой деформации; на глубине, меньшей h, имеет место пластическая деформация [2]. На глубине, равной h, значение эквивалентного напряжения σэкв соответствует пределу текучести σ0,2 упрочняемого материала: σэкв = σ0,2.

Выражая наибольшее давление ρ0 в точках продольной оси симметрии площадки контакта как:

где: q — удельная рабочая нагрузка, Н/мм;

π = 3,14, b — полуширина остаточного отпечатка от цилиндрического ролика, мм, получим (1):

(1)

По формуле (1) строим график зависимости относительной глубины упрочненного слоя h/b от относительного коэффициента к = q / b · σ0.2 (рис. 1). Каждому значению относительного коэффициента q / b · σ0.2 соответствует два значения относительной глубины упрочненного слоя h/b. Известно, что при первоначально линейном контакте пластическая деформация впервые возникает на глубине, равной h = 0,8b. Таким образом, относительная глубина упрочненного слоя не может быть меньше 0,8, поэтому при практическом использовании построенного графика исследуем только его верхнюю часть. Значение h/b = 0,8 отвечает ординате точки перегиба графика. В момент появления пластической деформации на глубине h = 0,8b величина эквивалентного напряжения σэкв в этой точке соответствует (2):

Рис. 1. График зависимости относительной глубины упрочненного слоя от относительного коэффициента

(2)

Таким образом, абсцисса точки перегиба графика соответствует:

В общем случае верхнюю часть графика можно аппроксимировать уравнением (3):

(3)

При комбинированном способе обработки возникает остаточный отпечаток от цилиндрического ролика. Пластическая деформация в точках продольной оси симметрии площадки контакта впервые появляется, когда эквивалентные напряжения в этих точках достигают предела текучести σ0.2:

где: μ = 0,3 — коэффициент Пуассона.

Таким образом:

Практическая реализация верхней части графика происходит при значениях q / b · σ0.2 ≥ 3,925. С учетом этого условия график может быть описан линейной зависимостью (4):

(4)

Полуширина b остаточного отпечатка определяется по формуле (5):

(5)

С учетом зависимости (5) формула (4) примет вид (6):

(6)

для конструкционных сталей k1 = k2 = = 1,45 · 10–6 МПа-1.

Таким образом:

(7)

Предварительными экспериментальными исследованиями установлено, что реальная ширина остаточного отпечатка, возникающего при комбинированном способе обработки, отличается от рассчитанной теоретическим путем. Учитывая зависимости, определяющие ширину 2b остаточного отпечатка при первоначально линейном упругопластическом контакте деталей при σ0.2 = (0,2…0,22) НV, форму-ла (7) примет вид (8):

(8)

Таким образом, на основе закономерностей теории упругости для случая внедрения цилиндрического ролика в поверхность детали получено простое решение задачи о расчетном прогнозировании глубины упрочненного слоя в зависимости от удельной рабочей нагрузки q, радиуса цилиндрического ролика R и физических свойств обрабатываемого материала, его пластической твердости НV (рис. 2, 3).

Рис. 2. Зависимость глубины упрочненного слоя h, мм, от удельной рабочей нагрузки q, Н/мм, и радиуса цилиндрического ролика R

Рис. 3. Зависимость глубины упрочненного слоя h, мм, от удельной рабочей нагрузки q, Н/мм, и пластической твердости HV, МПа

Установлен характер изменения температуры в поверхностном слое восстанавливаемой детали. Температура детали на глубине 0,5 мм не превышает 320 °С, на глубине 3,5 мм — 200 °С и на глубине 6,5 мм — 140 °С (рис. 4). Нагретое до разупрочненного состояния металлопокрытие позволяет использовать технологическое тепло, выделяемое при наплавке, для интенсификации отделочно-упрочняющей обработки путем совместной механической обработки резанием и поверхностного пластического деформирования с помощью комбинированных инструментов [3].

Рис. 4. Изменение температуры поверхностного слоя в зависимости от времени начала процесса на глубине; 1–6,5; 2–3,5; 3–0,5 мм

Деление способов отделочной и упрочняющей обработки на две груп­пы: резание и поверхностное пластическое деформирование не яв­ляется принципиальным, так как для обеих групп образование поверхности связано с пластическим деформированием слоя металла. Разница состоит только в том, что при обработке резанием пластическое напряженное состояние локализуется у режущей кромки инструмента, что приводит к образованию стружки, а при поверхностном деформировании плас­тическое напряженное состояние создается в значительном объеме металла, обеспечивая его безотрывное течение. Кроме того, эти способы механической обработки поверхностей базируются на единых ки­нематических схемах и поэтому легко трансформируются один в другой.

Особенностью комбинированного способа обработки является то, что полюсный наконечник и комбинированный инструмент в форме скобы-двухполюсника имеют одинаковую скорость обработки (скорость продольной подачи и окружную скорость). Выбор независимых технологических параметров обусловлен тем, что они оказывают основное влияние на параметры процесса: удельная рабочая нагрузка q, Н/мм; напряженность магнитного поля H, А/м; рабочий зазор Δ, мм; скорость продольной подачи S, мм/об; окружная скорость V, м/с. В качестве параметров оптимизации приняты: производительность процесса G; глубина упрочненного слоя h, мм; шероховатость поверхности Ra. Уровни варьирования основных технологических параметров представлены в табл. 1. Обработку полученных данных производили с помощью пакета прикладных программ MATHCAD PLUS 6.0.

Таблица 1

Уровни варьирования основных технологических параметров

Уровни Технологические параметры
q, H/мм Н, А/м Δ, мм S, мм/об V, м/с
x1 x2 х3 x4 x5
+2 250 140 0,6 0,30 0,10
+1 225 120 0,5 0,25 0,09
0 200 100 0,4 0,20 0,08
–1 175 80 0,3 0,15 0,07
–2 150 60 0,2 0,10 0,06

Математическая модель, определяющая зависимость производительности Y1 = G; шероховатости Y2 = Ra; глубины упрочненного слоя Y3 = h от основных технологических параметров q, Н, Δ, S, V в нормированном виде, соответственно X1, Х2, X3, X4, X5 имеют следующий вид:

(9)

(10)

(11)

Установлено, что технологические параметры по-разному влияют на параметры оп­тимизации, зависимость носит экстремальный характер. Обусловле­но это совместным действием электрической, магнитной, тепло­вой и механической энергий (рис. 5…8).

Рис. 5. Зависимость производительности G (1), шероховатости Ra (2) и глубины упрочненного слоя ε (3) от удельной рабочей нагрузки q

Рис. 6. Зависимость производительности G (1), шероховатости Ra (2) и глубины упрочненного слоя ε (3) от напряженности магнитного поля Н

Pис. 7. Зависимость производительности G (1), шероховатости Ra (2) и глубины упрочненного слоя h (3) от продольной подачи S

Рис. 8. Зависимость производительности G (1), шероховатости Ra (2) и глубины упрочненного слоя h (3) от окружной скорости V

Удельная рабочая нагрузка q является основным параметром, расширяющим технологические возможности способа. При увеличении до q = 250 Н/мм происходит уменьшение шероховатости поверхнос­ти и увеличение глубины упрочненного слоя. Дальнейшее увеличение q по­чти не изменяет шероховатость поверхности и стабилизирует глубину упрочненного слоя. При q > 375 Н/мм в поверх­ностном слое покрытия возникают напряжения, при которых образуются трещины. Таким образом, оптимальным является удельная рабочая нагрузка q при условии 250 < q < 375 Н/мм [4].

Напряженность магнитного поля Н влияет на каче­ство покрытия и на его толщину. При Н < 60 А/м порошок слабо удерживается на поверхности детали и формируется пористое покрытие. С повышением напряженности магнитного поля толщина покрытия и глубина упрочненного слоя увеличиваются. При значениях Н < 60 А/м глубина упрочненного слоя уменьшается, повышается шероховатость поверхности. Начиная с Н > 140 А/м наблюдается нестабильность возникновения электрических разрядов и образование скоплений порошка по мнимым дефектам. Таким образом, наиболее интенсивно и с высоким качеством комбинированный способ обработки происходит при выполнении условия: 90 < Н < 125 А/м [4].

Величина рабочего зазора Δ < 0,3 мм не дает возможности присадочному порошку, не участвовавшему в процессе, пройти рабочую зону, что вызывает короткое замыкание. Величина рабочего зазора Δ > 0,5 мм увеличивает длину цепочек из намагниченного порошка, что снижает их жесткость, повышает пористость покрытия, снижает производительность процесса.

Влияние продольной подачи S и окружной скорости V на производительность про­цесса является основным из рассматриваемых технологических параметров. Установлено, чем больше величина продольной подачи S и окружная скорость V, тем выше производительность процесса. Изменение продольной подачи в пределах 0,06…0,25 мм/об оказывает незначительное влияние на качество покрытия.

Однако увеличение по­дачи более 0,35 мм/об вызывает увеличение шероховатости по­верхности. Оптимальными являются про­дольная подача S и окружная скорость V, при которых удовлетво­ряются условия: 0,2<S<0,3 мм/об и 0,07<V<0,09 м/с [4].

С учетом уровня значимости основные технологические параметры расположены в порядке убывания влияния на параметры оп­тимизации следующим образом (табл. 2).

Таблица 2

Степень влияния технологических параметров на параметры оптимизации

Основные технологические параметры Степень влияния на параметры оптимизации, %
Y1 = G Y2 = Rа Y3 = h
Удельная рабочая нагрузка, q 9, 46 14, 16 33, 77
Напряженность магнитного поля, Н 14, 86 21, 39 12, 99
Рабочий зазор, Δ 13, 51 22, 25 25, 97
Продольная подача, S 35, 14 17, 92 19, 48
Окружная скорость, V 27, 03 24, 28 7, 79

Наибольшее влияние на производительность процесса оказывают скорость продольной подачи S и окружная скорость детали V потому, что, помимо тепловых про­цессов, при формировании рельефа поверхности особую роль играют формо-образующие движения. За­мыкает ряд удельная рабочая нагрузка q, которая почти не имеет непосредственного отношения к процессу наплавки. Производительность комбинированного способа обработки достигает 2,1 г/мин, что соответствует электроконтактной приварке присадочных порошков.

Наибольшее влияние на шероховатость поверхности Ra оказывают окружная скорость детали V и величина рабочего зазора Δ потому, что, помимо перекрытия площадок, при поверхностном пластическом деформировании особую роль играет жесткость цепочек из намагниченного порошка. Шероховатость поверхности при комбинированном способе обработки достигает значений, полученных после операции полирования, Ra = 0,063…0,080 мкм, и соответствует требованиям технической документации при изготовлении новых деталей [7].

На глубину упрочненного слоя наибольшее влияние ока­зывает удельная рабочая нагрузка q. Экспериментальные результаты исследования глубины упрочненного слоя (рис. 9) сопоставлены со значениями, вычисленными по формулам (9) и (10) [5].

Рис. 9. Микротвердость по глубине упрочненного слоя: 1 — Б1; 2 — ФБХ-6–2 в аргоне; 3 — ФБХ-6–2; 4 — сормайт-1

Расчет по формуле (9), использующей значение ширины остаточного отпечатка, приводит к некоторому завышению расчетных значений h. Это объясняется тем, что при σ0.2 = 0,21∙НV формула (9) принимает вид 3,16 · (q/D) и отличается от формулы (10) на 10 %. Разница вычисления h снижается с ростом пластической твердости упрочняемой поверхности. Незначительное влияние радиуса R цилиндрического ролика на величину h при комбинированном способе обработки деталей класса «вал» с радиусом Rв позволяет в разработанных формулах использовать приведенный радиус кривизны: Rпр = Rв · R / (Rв · R). Разница рассчитанных по формуле (10) и экспериментальных значений h не превышает 4…6 %. Таким образом, результаты экспериментальных исследований позволяют использовать полученную теоретическим путем формулу (10) для прогнозирования оптимальной глубины упрочненного слоя и назначать оптимальные режимы обработки. Исходя из требований, предъявляемых к деталям в процессе эксплуатации, на основные технологические параметры наложены ограничения. Получен оптимальный режим: q = 250 Н/мм; Н = 100 А/м; Δ = 0,4 мм; S = 0,25 мм/об; V = 0,08 м/с [8].

С целью проверки эффективности системы автоматического управления проведены сравнительные исследования, которые предусматривали обработку на оптимальном режиме двух партий образцов. При этом одна партия обрабатывалась с системой автоматического управления по регистрации момента достижения оптимальной глубины упрочненного слоя, а другая — без нее. Результаты исследований показали, что меньшие значения дисперсий (не более 0,5 %) для параметров оптимизации (глубина упрочненного слоя, шероховатость поверхности и производительность процесса) получены для образцов с покрытиями, полученными при использовании системы автоматического управления, что говорит о стабильном протекании процесса.

Таким образом, анализ современных технологий по восстановлению и упрочнению деталей и технологического оборудования для их реализации показал, что в рыночных условиях экономического спада ремонтного производства традиционные технологические решения, ориентированные на массовый и крупносерийный тип, утратили практическую значимость. Повышение эффективности нанесения износостойких покрытий электроимпульсным способом основано на использовании технологических возможностей способа и принципах технической самодостаточности малых ремонтных предприятий. Для чего разработан комбинированный способ обработки, заменяющий применение традиционного технологического оборудования, с получением качества, сопоставимого с качеством, получаемым при существующих технологиях.