CC BY
63
УДК - 621.9.019
Стеблев А.А.
Магистр, студент, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва».
г. Саранск, РФ Стеблев М.А.
Магистр, студент, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва»
г. Саранск, РФ
СПОСОБЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВАЛОВ
Аннотация
Исходя из условий эксплуатации вала, основного материала, твердости, величины и характера износа выбирается оптимальный способ восстановления изношенных валов. Каждая технология имеет свои преимущества и особенности использования.
Ключевые слова
Полимеры, дефектация, способы устранение дефектов, восстановление, упрочнение, поверхность, вал, технологический процесс.
В настоящее время при восстановлении деталей, наиболее часто используемых в ремонте, используются дуговые методы, гальванические методы, распыление материалов и электроконтактные методы восстановления: припекание порошков, стальных лент, проволоки и так далее.
Фундаментальные теоретические и практические исследования по разработке прогрессивных технологических процессов восстановления изношенных деталей выполнены советскими учеными: Ф.Х. Бурумкуловым, Д.Г. Вадивасовым, Е.Л. Воловиком, В.И. Казарцевым, В.М. Кряжковым, И.С. Левитским, И.И. Луневским, В.А. Наливкиным, Ю.Н. Петровым, А.В. Поляченко, И.Е. Ульманом, В.А. Шадричевым и другими.
В настоящее время наиболее распространенными методами реставрации в ремонтном производстве являются те, которые основаны на поверхности электрической дуги [1, с. 50]. К ним относятся механизированные поверхности под речным слоем, вибродуги и в среде защитных газов. Каждый из этих методов имеет свои особенности, ограничивающие сферу его применения [2, с. 26].
Одним из способов восстановления деталей является электродуговая наплавка электродами Э-42, Э-50. Несмотря на свою простоту, она имеет низкую производительность. Так, при наплавке электродом диаметром 4-5 мм со скоростью 2-6 м/ч. производительность составляет 0,5-0,7 м/ч. Ручная электродуговая наплавка не требует большой затраты времени на подготовительные работы, однако, имеет ряд недостатков: неоднородность структуры наплавленного металла, наличие микротрещин в наплавленной поверхности, большой угар металла и расход электрической энергии, наличие внутренних напряжений, снижающих усталостную прочность восстанавливаемой детали, низкую производительность труда, коробление детали.
Автоматическая электродуговая наплавка под слоем флюса и порошковыми проволоками открытой дугой, по мнению многих авторов, обеспечивает достаточное качество наплавленного слоя при высоких производительности и К.П.Д. процесса [3, с. 14].
Вибродуговая наплавка характеризуется сложным тепловым воздействием дуги на металл детали. Отдельные участки подвергаются многократному нагреву, благодаря чему образуются почти все структуры закалки углеродистой стали, начиная от мартенсита до структуры троостита, сорбита и тростосорбита. В результате этого твердость наплавочнного металла отличается большой
неоднородностью. Участки отпущенного металла с пониженной твердостью, расположенные на стыках валиков чередуются с более твердыми закаленными участками по вершинам валиков. Периодичность чередования соответствует шагу наплавки.
Способ рекомендуется для восстановления крупногабаритных деталей со значительными износами. Вибродуговая наплавка в среде охлаждающей жидкости наряду с достоинствами (возможность нанесения тонкого и твердого покрытия из дешевых материалов без значительного теплового воздействия на деталь и так далее) имеет и существенные недостатки, ограничивающие применение данного способа. Основные из них: микротрещины в наплавленном слое, поры, шлаковые включения. Все это резко до 70% снижает усталостную прочность восстановленных деталей [6, с. 43].
В настоящее время автоматическая поверхность используется в среде защитных газов (аргон, гелий, углекислый газ, водяной пар). Он используется в тех случаях, когда поверхность под слоем реки неприменима или затруднена. Появление в среде углекислого газа более продуктивно, чем другие поверхностные методы. При автоматической наплавке в среде углекислого газа производительность увеличивается в 3-4 раза, а затраты на рабочую силу-на 30-40% по сравнению с ручной поверхностью. В этом случае скорость поверхности зависит от толщины металла и диаметра используемой проволоки.
Недостатками поверхности являются значительные металлические брызги, ограниченная возможность сплава осажденного металла только электродной проволокой, снижение износостойкости и, самое главное, утомляемость на 10-15% из-за наличия пор и дефектов в структуре осажденного слоя.
Хорошее качество сварки и высокие эксплуатационные свойства имеют детали, восстановленные с применением поличастотно-резонансных источников питания электрической дуги, разработанных в НИИАТе [5, с. 60].
Метод детонационного напыления начал развиваться в конце 60-х годов. Большой объем исследований по разработке и совершенствованию метода, выполненных в нашей стране, позволил решить основные задачи в области техники и технологии этого метода [7, с. 24]. Суть его заключается в следующем: в рабочую камеру детонационной установки подаются горючая смесь и напыляемый порошок. С помощью электрической искры смесь поджигается, из рабочей камеры по стволу пламя распространяется с возрастающей скоростью до возникновения детонационной волны. Скорость распространения детонации 1000-3000 м/с, зависит от характеристик горючей смеси. При истечении продуктов детонации последние увлекают за собой частицы порошка, которые, кроме тепловой, получают и кинетическую энергию. Скорость выноса порошка 690-1000 м/с [5, с. 62]. Установленная на пути потока газов и порошка изношенная поверхность (подложка) покрывается частицами напыляемого материала. Особенностью детонационного напыления является меньший нагрев частиц, их более высокая скорость по сравнению, например, с плазменным напылением.
Это позволяет получать качественные покрытия с высокой сцепляемостью, структура покрытий получается плотной и однородной. При плазменном напылении от соударения частиц с подложкой отношение толщины напыляемых частиц к их диаметру составляет 1/8. Частицы, напыленные детонационным способом, сплющиваются до такой степени, что это отношение достигает 1/10. Пористость не превышает 1%, этого невозможно достичь при других способах напыления без дополнительных операций. Относительно небольшой нагрев (200-350°С) детали (подложки) при напылении этим способом не вызывает увеличения ее внутренних напряжений, не оказывает отрицательного воздействия на усталостную прочность. Детонационное напыление (покрытие) характеризуется высокой износостойкостью.
Необходимую толщину покрытия получают многократным повторением циклов стрельбы. Покрытие, нанесенное детонационным способом, при необходимости подвергают механической обработке: точению, фрезерованию, шлифованию.
Лазерная наплавка представляет собой метод восстановления изношенных деталей и заключается в
оплавлении порошковых или иных материалов на восстанавливаемой поверхности. В настоящее время наиболее широко применяется лазерная наплавка порошков. Порошковый материал тем или иным способом подается на поверхность, детали, где расплавляется лазерным лучом, образуя жидкую ванну, и частично диффундирует в основу. Застывшее покрытие образует ровный наплавленный слой толщиной 12 мм и твердостью до 60 HRC и более. Прочность сцепления наплавленного слоя с подложкой достигает 30 кг/мм2. Перегрев и деформация деталей отсутствуют благодаря высокой скорости наплавки.
Опрыскивание газовым пламенем включает в себя методы покрытия, основанные на нагревании исходного материала до жидкого или пластического состояния и опрыскивании газовой струей. Его характеристики: Высокая производительность (до 40 кг / ч); способность получать слои в довольно большом диапазоне толщины (0,1-3 мм) с различными свойствами (в том числе регулируемой толщиной); простое покрытие на частях различных геометрических форм и размеров; универсальность используемых материалов как по форме (порошок, проволока), так и в физико-механическими свойствами (металлы, сплавы, оксиды, карбиды, пластмасс и др.).). к преимуществам распыления пламени относится способность выполнять процесс в различных производственных условиях (от крупного производства до индивидуальной рекуперации в мастерских и даже непосредственно в полевых условиях). В то же время довольно легко механизировать процесс, что приводит к повышению качества покрытия.
К недостаткам данного способа можно отнести то, что при нанесении покрытий на небольшие детали процесс напыления является малоэффективным из-за больших потерь напыляемого материала и, следовательно, неэкономичным; для предварительной подготовки поверхности основы перед напылением широко применяют песко- и дробеструйную обработку кварцевым песком, корундом, стальной крошкой и другими материалами, которые загрязняют рабочий участок и ухудшают условия работы операторов, обслуживающих установку; в процессе напыления частицы напыляемого материала могут разлетаться, а также образовывать различные соединения с воздухом, что вредно для здоровья работающих. Поэтому для работы на участке напыления нужны мощные вентиляционные установки [6, с. 80].
Хромирование изношенных поверхностей деталей наряду с положительными сторонами отличается длительностью процесса, сложностью подготовки, низким выходом по току и высокой стоимостью восстановления. Кроме того, нецелесообразно нанесение слоев свыше 0,15 мм. Возникающие при хромировании растягивающие напряжения приводят к снижению усталостной прочности на 20-30% [7, с. 37].
Осталивание наряду с достоинствами также характеризуется сложностью технологического процесса, а также недостаточной прочностью и износостойкостью покрытия, снижением ударной вязкости и предела выносливости на 22-30%.
Электроконтактная приварка металлических материалов - один из наиболее прогрессивных высокоэффективных способов восстановления. По прогнозам многих специалистов в ближайшие годы контактная приварка станет одной из ведущих технологий восстановления и упрочнения деталей широкой номенклатуры. Данный способ восстановления основан на использовании тепловой энергии, выделяющейся в зоне соединения основного и добавочного материала при прохождении электрического тока в сочетании с одновременным механическим воздействием приваривающего ролика. Контактная приварка имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами, основанными на расплавлении добавочного металла: увеличивается производительность труда в 2-3 раза, расход материалов снижается в 3-4 раза в сравнении с дуговой наплавкой, исключается нагрев деталей, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда и так далее. Разработаны и широко применяются способы приварки стальной ленты, порошковых материалов, проволоки к стальным и чугунным деталям [5, с. 67].
Способу контактной приварки ленты присуши некоторые недостатки. Даже при оптимальных режимах наплавки поверхностный слой имеет трещины, поры, выкрашивания. Из-за отсутствия деформации в зоне соединения ленты с основой не обеспечивается соединение покрытия с деталью.
Указанные недостатки способа, дефицитность стальной ленты, существенное до 23% снижение усталостной прочности несколько ограничивают применение метода.
Способ электроконтактного напекания порошков производится на установке ОЛ-379УНКВ конструкции ЧИМЭСХ с двумя электродами с плоской рабочей поверхностью. Процесс формирования покрытия из порошка происходит путем прокатки порошка между поверхностями детали и двух медных электродов. Подача порошка осуществляется в перфорированных полиэтиленовых пакетах сразу под оба электрода.
ЭМО металлов разработаны в Ульяновском сельскохозяйственном институте профессором Б.М. Аскинази, его учениками и последователями. В настоящее время совершенствованием существующих и разработкой новых технологий занимаются в Научно-производственной лаборатории электромеханической обработки деталей имени Б.М. Аскинази.
ЭМО основана на одновременном термическом и механическом воздействии на поверхностный слой обрабатываемой детали. В результате значительно изменяются физико-механические свойства поверхностного слоя, повышается износостойкость и микротвердость.
Сущность ЭМО состоит в том, что через деформирующий инструмент, например накатной ролик, пропускают ток большой силы и низкого напряжения. В результате чего в зоне контакта ролика с поверхностью детали образуется локальный разогрев до температуры, соответствующей фазовому переходу в металлах. За счет высоких скоростей нагревания и охлаждения контактной зоны, в условиях приложения деформирующего усилия, в поверхностном слое образуются высокотвердые и износостойкие поверхности, так называемые белые и серые слои глубиной 0,02 - 0,03 мм [6, с. 91].
ЭМО характеризуется следующими особенностями [8, с. 13]:
1. Тепловое и механическое воздействие на поверхность детали осуществляется одновременно, а не последовательно;
2. Нагрев поверхностного слоя происходит от двух источников: внешнего (теплота трения) и внутреннего (теплота от прохождения электрического тока);
3. Продолжительность нагрева и выдержки, в зависимости от поверхности контакта и скорости обкатки, относительно кратковременная (измеряется сотыми и тысячными долями секунды);
4. Высокая скорость охлаждения определяется интенсивным отводом тепла от тонкого поверхностного слоя в середину холодной детали;
5. Поверхностный слой детали поддается многократному тепловому воздействию, в зависимости от числа проходов.
Существуют два способа восстановления деталей ЭМО: без добавочного металла и с введением добавочного металла.
Метод восстановления без дополнительного металла основан на перераспределении поверхностного слоя металла. Материал изношенной детали насаживают на твердосплавную пластину или валик, заточенный под углом 60°. На поверхности детали образован винтовой паз в виде резьбы. Затем посаженную поверхность разглаживают до определенного размера. Ток высокого и низкого напряжения проходит через место контакта детали и инструмента. Увеличение диаметра связано с перераспределением металла.
На поверхности детали остается винтовая канавка, металл из которой переместился в трапециидальные участки поверхности. За счет этого и происходит увеличение диаметра восстанавливаемой детали. При этом обеспечивается одновременное упрочнение поверхности и повышение усталостной прочности на 17...38%. Однако, описанный способ восстановления деталей ЭМО рекомендуется главным образом для неподвижных сопряжений с малыми износами деталей - до 0,1...0,2 мм. В практике ремонта часто необходимо, чтобы восстанавливаемая деталь имела гладкую износостойкую поверхность, а величина износа деталей тракторов, автомобилей и другой
сельскохозяйственной техники часто находится в интервале 0,2...0,5 мм и более. Для этих случаев предназначены способы восстановления деталей с введением наполнителей и добавочного металла, что в значительной мере расширяет ремонтно-технологические возможности электромеханической обработки. В качестве наполнителей используются эпоксидные композиции, припои, в качестве дополнительного металла - стальная проволока.
Восстановление деталей путем введения наполнителей открыто состоит в заполнении винтовых канавок, полученные обычными реставрации-путем посадки и сглаживания, с помощью эпоксидной композиции на основе ЭД-6 смол с добавлением порошка железа или припоем ПОС-30. Винтовые канавки будут очистит с помощью металлической щетки и предварительно уменьшит. После покрытия поверхности эпоксидным соединением детали выдерживают в течение двух дней, затем лишний состав удаляется на высоту выступов. После нанесения припоя избыток также механически удаляется. Наполнители повышают износостойкость суставов на 10 ... 15%, прочность суставов увеличивается также на 10...20% при коэффициенте завершения контакта 0,35...0.4. метод нашел, несмотря на их никаких перспектив распространения, требует дальнейшего развития и исследования.
Восстановление деталей путем закатывания добавочного металла заключается в глубокой высадке изношенной детали с шагом 2 мм, в наматывании в полученную канавку проволоки диаметром 0,5 мм и ее последующем завальцовывании пластинчатым инструментом в несколько проходов [9, с. 74]. Проволока оказывается закатанной в основной металл. Метод не нашел распространения из-за серьезных недостатков, основными из которых являются трудности получения глубокой высадки с шагом 2...3 мм, трудности закатывания проволоки, резкое снижение предела выносливости и т.д.
Электромеханическое восстановление деталей на основе приварки добавочного металла -проволоки [8, с. 17], которая осуществляется не импульсами тока, а при его непрерывном прохождении через приваривающий ролик, проволоку, деталь. Сущность способа восстановления состоит в том, что изношенная поверхность детали высаживается электромеханической обработкой. В образующуюся винтовую канавку с помощью ролика и быстрорежущей стали приваривается присадочный металл -проволока. Высаженная поверхность и проволока предварительно очищаются от масляных и окисных пленок. После приварки проволоки деталь шлифуется в размер.
Способ восстановления изношенных деталей ЭМО с введением добавочного металла является прогрессивным, обеспечивающим восстановление деталей типа "вал" с износами до 0,5...1,0 мм с высокими технико-экономическими показателями. Однако способ не нашел распространения. Это объясняется, главным образом, отсутствием надежного соединения добавочного и основного металлов.
К общему недостатку технологических процессов восстановления изношенных цилиндрических поверхностей деталей следует отнести то, что реставрированная поверхность получается прерывистой, что значительно (до 20%) снижает площадь ее контакта с сопряженной деталью. Однако низкая себестоимость данных технологий из-за незначительных капитальных вложений при их внедрении, невысокой трудоемкости делают их очень привлекательными для единичного и мелкосерийного производства.
В настоящее время в связи с развитием рыночных отношений передовыми способами восстановления деталей машин следует считать такие, которые отвечают следующим требованиям:
1. Технологический процесс восстановления должен быть относительно простым, энергоэффективным и производительным;
2. Материалы для компенсирования износа деталей не должны быть дорогими и дефицитными, в тоже время содержать все необходимые элементы для получения качественного покрытия;
3. Технологический процесс должен обеспечить ресурс восстановленной детали не ниже ресурса нового изделия;
4. Подготовка поверхности детали к восстановлению и последующая механическая обработка восстановленной поверхности не должны требовать специализированного сложного и дорогостоящего
технологического оборудования;
5. Восстановленные детали должны обеспечивать полную взаимозаменяемость. В последнее время при восстановлении изношенных деталей, особенно валов, широкое распространение получил метод электроискровой обработки.
Технология электрической искровой обработки металлических поверхностей основана на использовании импульсного электрического разряда, проходящего между электродами в газовой среде. Суть его заключается в том, что при появлении электрической искры в такой среде материал электрода (анода) разрушается, а продукты эрозии переносятся на деталь (катод).
Электрическая обработка искр может восстанавливать изнашиваемые детали и изменять свойства их поверхностного слоя. Слой, нанесенный на рабочую поверхность детали, имеет прочную связь с основанием, так как его образование сопровождается химическими и диффузными процессами.
Однако опыт использования Ан показал, что электрические искровые покрытия, даже после механической обработки, не соответствуют довольно строгим требованиям к микро-и макрогеометрии, предъявляемым к восстановленной поверхности вала.
Все вышеперечисленные методы восстановления основаны на нанесении металлического покрытия на изношенную поверхность детали. Однако современная химическая промышленность поставляет на рынок полимерные материалы и составы, близкие по своим свойствам к некоторым металлам и сплавам и даже превосходящие их по некоторым показателям. Поэтому неудивительно, что такие материалы очень интересуют исследователей, и в последнее время в ремонтном производстве появились новые технологии, основанные на использовании таких материалов. Список использованной литературы:
1. Восстановление деталей машин и оборудования АПК. Научно-технический информационный сборник. Вып. 1-6. М.: Машиностроение, 1990.
2. Казарцев В.И. Выносливость и износостойкость деталей, наплавленных стандартными проволоками в защитных средах / В.И. Казарцев, В.М. Кряжков, Е.А. Мисунов. - Сварочное производство, 1968. - №5. -с.25...27.
3. Нагапетян В.Л. Восстановление высоконапряженных деталей сложной формы наплавкой с применением перспективных источников питания сварочной дуги. / В.Л. Нагапетян, Н.А. Степанов, В.М. Унгуряну, В.И. Назаров // Тезисы докладов на научно-технической конференции стран-членов СЭВ «Современное оборудование и технологические процессы для восстановления и упрочнения деталей машин». - «Ремдеталь-88» (17...21 окт. 1988 г., г. Пятигорск) ч.2. - М.: 1988. - с. 13...14.
4. Клименко Ю.В. Электроконтактная наплавка / Ю.В. Клименко. - М.: Металлургия, 1978. - 127 с.
5. Поляченко А.В. Восстановление деталей контактной приваркой присадочных материалов / А.В. Поляченко // «Техника в сельском хозяйстве». - 1987. -219 с.
6. Нафиков М.З. Исследование и разработка технологии восстанов-ления автотракторных деталей типа "Вал" электроконтактной наплавкой проволокой: дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук: 05.20.03/ Нафиков Марат Закиевич. - Уфа, 1982. - 199 с.
7. Бурак П.И. Восстановление деталей машин электроконтактной приваркой металлической лентой через промежуточный слой: дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук: 05.20.03/ Бурак Павел Иванович - Москва, 2004. - 137 с.
8. Ульман И.Е. К вопросу выбора рациональных способов восстановления деталей с.-х. машин / И.Е. Ульман, Г.А. Тонн, Е.Б. Тасимов, А.Г. Дорошенко // Сб. трудов Челябинского института механизации и электрофикации сельского хозяйства. - Челябинск, ЧИЛЛСХ, - 1974. - вып. 78 - с.12-18.
9. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей электромеха-нической обработкой / Б.М. Аскинази. - Л.: Машиностроение, 1977. - 184 с.
© Стеблев А.А., Стеблев М.А., 2020 г.
