Совершенствование электрофизического процесса нанесения ферромагнитных порошков в пульсирующем магнитном поле с целью повышения прочностных характеристик восстановленных деталей сельскохозяйственной техники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.03, кандидат технических наук Горохова, Марина Николаевна

• Горохова, Марина Николаевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Горохова, Марина Николаевна

Аннотация

Условные обозначения

Введение

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Краткий обзор условий изнашивания сопряжений

1.2 Электрофизические способы упрочнения и восстановления деталей 17 ^ 1.3 Обзор достижений в области упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле, сущность метода и устройства для его реализации

1.4 Область применения метода

1.5 Цель и задачи исследований

Глава 2. Теоретическое обоснование процессов упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле

2.1 Влияние схемы полярности на процесс упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле

2.2 Теоретическое обоснование выбора состава смеси ферромагнитного порошка при восстановлении электроимпульсным способом

2.3 Основные технологические факторы и их влияние на прочностные характеристики упрочняемых поверхностей при восстановлении электроимпульсным способом 61 Выводы

Глава 3. Методика экспериментальных исследований 71 ^ 3.1 Методологическая схема и методика проведения исследований

3.2 Экспериментальная установка для реализации способа упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле

3.2.1 Электромеханический блок

3.2.2 Принципиальная электрическая схема установки

3.3 Методика дозирования ферромагнитного порошка

3.4 Исследование микроструктуры, микротвердости и зоны термического

9 влияния

3.5 Методика исследования износостойкости и усталостной прочности образцов

3.6 Исследование прочности сцепления наплавленного металла с основным

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований

4.1 Задачи исследования и выбор параметров откликов

4.2 Математическое планирование эксперимента. Влияние основных технологических факторов на удельный привес, коэффициент сплошности номинальной поверхности и коэффициент переноса материала ферропорошка

4.2.1 Влияние силы тока короткого замыкания и частоты вибрации полюсного наконечника на удельный привес

4.2.2 Влияние силы тока короткого замыкания и частоты вибрации полюсного наконечника на коэффициент сплошности металлопокрытия

4.2.3 Влияние силы тока короткого замыкания и частоты вибрации полюсного наконечника на коэффициент переноса ферроматериала

4.3 Исследование дозирования ферромагнитного порошка

4.4 Влияние состава порошковой смеси на качество металлопокрытия

4.5 Исследование микроструктуры, микротвердости и зоны термического влияния

4.6 Износостойкость и усталостная прочность металлопокрытия

4.7 Прочность сцепления наплавленного металла с основным материалом детали 121 Выводы

Глава 5. Технико-экономическое обоснование эффективности внедрения технологического процесса восстановления

5.1 Результаты стендовых и эксплуатационных испытаний, рекомендации по внедрению технологии восстановления деталей электроимпульсным способом в магнитном поле ферропорошками

5.2 Выбор объекта восстановления, обоснование и разработка технологического процесса восстановления опорных шеек распределительного вала 5.4 Экономическая эффективность Выводы Общие выводы Литература Приложение

Аннотация

Для поддержания огромного машинно-тракторного парка в работоспособном состоянии необходим комплекс мероприятий по систематическому техническому обслуживанию и ремонту машин. Известно, что в подавляющем большинстве детали выходят из строя не в результате поломок, а в результате износа лишь тонкого поверхностного слоя. Поэтому требования, предъявляемые к основному материалу детали и к ее поверхностному слою, должны быть различны. Валы ведущих колес, распределительные валы механизма газораспределения, сопряженные с подшипниками скольжения, изнашиваются в среднем на 0,2.0,8 мм. Детали с износами до 0,8 мм составляют 50.70% от общей номенклатуры деталей, подлежащих восстановлению.

Целью настоящей работы является повышение прочностных характеристик деталей типа «вал» путем разработки и внедрения новой технологии восстановления этих деталей ферропорошками в пульсирующем магнитном поле. В процессе работы проводились теоретические исследования закономерностей протекания электрофизических процессов в зоне нанесения порошка в пульсирующем магнитном поле. Для проведения лабораторных исследований была создана лабораторная установка. В процессе исследований определены оптимальные режимы восстановления и их влияние на качество сформированного металлопокрытия, а также разработан оптимальный состав смеси ферропорошка для реализации по указанному методу.

Производственные испытания показали работоспособность и эффективность использования предлагаемого метода, а сравнительный анализ экономических показателей определил экономический эффект от применения предлагаемого технологического процесса восстановления опорных шеек распределительных валов двигателей внутреннего сгорания.

Условные обозначения

В первой главе:

ФМП — ферромагнитный порошок;

ФП — ферропорошок;

МП — магнитное поле;

ЭИС — электроимпульсный способ;

БДУ- бункерное дозирующее устройство

Во второй главе:

Дфби— сдвиг фаз между виброперемещением полюсного наконечника и напряжением в цепи технологического тока; Л (рви ~ сдвиг фаз между магнитной индукцией и напряжением в цепи технологического тока; А1 — зазор между восстанавливаемой деталью и полюсным наконечником;

4?- воздушный промежуток между электромагнитной катушкой и полюсным наконечником; А и Ъ - размер большой и малой осей эллипсоида, м; Н— напряженность магнитного поля у верхней границы зерна, А/м; к — магнитная восприимчивость материала ферропорошка; ц - магнитная проницаемость материала ферропорошка, г/м; Яд — радиус упрочняемой детали, м; а — показания прибора в делениях шкалы; со — число витков измерительной рамки; площадь измерительной рамки, м ; Воет - остаточная индукция в рабочем зазоре; Вист - истинное значение магнитной индукции; а/ а.2 аз а4- условные обозначения схем полярности; (+), (^-электрическая полярность;

IV, Я-магнитная полярность; Д - зазор перед началом разряда; г - удельная длительность процесса, с/см ; <7 - величина расхода ферропорошка, г/с;

Т] - удельную длительность процесса при единичной ширине рабочей части полюсного наконечника, с/см; ql - величина расхода ферропорошка на единицу ширины рабочей части полюсного наконечника, г/с-см; с! - диаметр распределения материала ферропорошка на упрочняемой поверхности при единичном разряде, м;

В третьей главе:

Лд — радиус детали;

А — зазор между деталью и полюсным наконечником;

Ян- радиус вогнутости наконечника, мм;

ЭМ— электромагнитная катушка;

В] В2 Дз- тумблеры;

Р] - катушка магнитного пускателя;

К] К2- контакты;

Тр - трансформатор;

Д-диод;

Я1.Я9 - добавочные сопротивления; Рт - тепловое реле; вентиль; Рп - рабочий промежуток; А — амперметр; Шн — шунт; V— вольтметр; Г— генератор;

М - изгибающий момент в опасном сечении образца в кг-мм; и» - момент сопротивления образца в мм; Р - нагрузка, приложенная к образцу в кгс; - расстояние от точки приложения силы до ближайшей опоры, мм; D - диаметр образца, мм; Р - усилие штифта, кг;

Г- площадь сечения рабочей части штифта, мм; аэ - напряжение отрыва штифта на образце; а0 - напряжение отрыва штифта контрольного образца;

В четвертой главе:

- привес экспериментального образца, мг;

Д и / - соответственно диаметр и длина образца, см; т/ - удельная длительность процесса при единичной ширине полюсного наконечника, с/см;

- величина расхода ферропорошка в единицу времени на единицу ширины полюсного наконечника, г/с-см;

- часть площади номинальной поверхности, на которой имеются микронеровности, полученные шлифованием;

8Ш - площадь номинальной поверхности; рр и /¡поп - размеры, \ - й лунки, соответственно в продольном и поперечном правлениях; с1э- усредненный эффективный диаметр лунки, см; р - плотность расположения лунок. 1/см ; £ я - суммарная площадь проекции лунок, мм2;

К - коэффициент, учитывающий проектирование цилиндрической поверхности на плоскость; У1 - удельный привес, мг/см ;

У 2 - коэффициент сплошности номинальной поверхности, %; Уз - коэффициент переноса материала ферропорошка, %; <7 — величина расхода ферропорошка, г/мин; Я - величина добавочного сопротивления, Ом; С - производительность процесса, мм /с; F — площадь упрочнения, мм2; Уд ~ окружная скорость детали-пр, м/с; £ - продольная подача, мм/об; / - сила тока, А; и - рабочее напряжение источника, В; Уд - окружная скорость детали, м/с; т - удельная длительность, с/мм ;

С - производительность процесса, см /мин; А — наплавка смесью ФМП — 2; В — наплавка смесью ФМП - 3; С — нормализованная сталь 45.

В пятой главе:

ЗП—заработная плата производственных рабочих;

М - затраты на приобретение ремонтных материалов; ОПУ— затраты связанные с реорганизацией производства и управлением; РФ — стоимость ремонтного фонда;

ЗПо — основная заработная плата производственных рабочих;

ЗПд — дополнительная заработная плата производственных рабочих; Нее — отчисления на соцстрах;

Тер — трудоемкость восстановления одного распределительного вала, чел.час;

Счас — средняя часовая тарифная ставка рабочих, руб./час;

Кт — коэффициент, учитывающий доплату к основной заработной плате.

Т1.Т8 — нормо-часы на восстановление распределительного вала по отдельным разрядам; Сч 1.Сч8 — часовые тарифные ставки для соответствующих разрядов; Кд -коэффициент дополнительной заработной платы; Кс — коэффициент начисления по соцстраху; Цр - цеховые расходы; Охр — общехозяйственные расходы; ВПр — внепроизводственные расходы; Пр — прочие расходы;

Кзп- процент цеховых и общепроизводственных расходов;

Сд — вес распределительного вала, кг;

Цм — стоимость одного кг металлолома для переработки;

Р"м, Р'м- соответственно измененная по годам расчетного периода стоимостная оценка предлагаемого и базового вариантов, руб.; 3"м, З'м- стоимостная оценка затрат на осуществление мероприятий по предлагаемому и базовому вариантам, руб; Ци — цена единицы продукции с учетом эффективности ее применения; Ц/2 — цена единицы продукции с учетом эффективности ее применения базовая технология); NB2, Nbi - годовая программа восстановления; а tx ? а t2- коэффициент приведения к расчетному году по предлагаемому и базовому вариантам; tu, t/r начальный и конечные годы расчетного периода; Е„ - норматив приведения разновременных затрат и результатов; tp- расчетный год; t - год, затраты которого приводят к расчетному. " текущие издержки при производстве продукции в году без учета амортизационных отчислений на реновацию по предлагаемому и базовому вариантам;

К ,2 , Кti единовременные затраты при использовании продукции в году;

А t2 , A,t - остаточная стоимость (ликвидационное сальдо) основных фондов по предлагаемому и базовому вариантам в год t; С„ - полная себестоимость восстановления распределительного вала; N- программа ремонта;

Kt - стоимость оборудования, необходимого для осуществления технологического процесса. На—5,6% - средняя норма амортизационных отчислений; КТР - эффективность передовых ресурсов

Су- стоимость установки для нанесения ферропорошка в магнитном поле электроимпулымбом; Сг-оимь ановки для наплавки подоем фл; Ст -оимь токарно-винторезногоанка; Сш.к. -оимь круглошлифовальногоанка; СдР -оимь измерительного ирумента, ки, режущего ирумента;

Св2, СвI - стоимость оборудования с учетом износа в процессе эксплуатации;

Цм.л. - стоимость одной тонны лома и отходов для переработки; Тоб- общая трудоемкость восстановления распределительного вала; ДО- программа восстановления;

Фд- действительный фонд времени одного рабочего.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование электрофизического процесса нанесения ферромагнитных порошков в пульсирующем магнитном поле с целью повышения прочностных характеристик восстановленных деталей сельскохозяйственной техники»

Актуальной задачей современного ремонтного производства является осуществление практических мер по повышению надежности и долговечности машин, оборудования и приборов. Надежность и долговечность деталей во многом определяются состоянием их поверхностного слоя. Известно, что в подавляющем большинстве детали выходят из строя не в результате поломок, а в результате износа лишь тонкого поверхностного слоя. Поэтому требования, предъявляемые к основному материалу детали и к ее поверхностному слою, должны быть различны.

Обеспечение равнопрочности и износостойкости восстановленных деталей является важнейшей задачей в техническом перевооружении сельскохозяйственного ремонтного производства. Решение ее позволит сократить номенклатуру и объем запасных частей, значительно повысить ресурс машин после капитального ремонта. Особенно актуальна эта проблема для деталей типа «вал» с малыми величинами износа, занимающих особое место в ремонтном производстве. Восстановление их известными способами ограничивается:

- термическим разупрочняющим воздействием на материал основы;

- потерями металла и дорогостоящих компонентов, уходящих в стружку;

- необходимостью дополнительной операции - термической обработки.

Одно из направлений в решении этой проблемы является разработка новых технологических процессов нанесения тонкослойных высокопрочных покрытий на основе металлических порошков, порошков - сплавов и тугоплавких соединений. К числу прогрессивных методов создания поверхностного слоя с заданными физико-химическими свойствами относятся электроискровое легирование и упрочнение деталей ферропорошками в магнитном поле. Эти два метода имеют много общего в физической природе происходящих явлений, но имеют и ряд специфических особенностей, отличающих их друг от друга. Они практически не требуют специальной подготовки поверхности перед упрочнением; оборудование для их реализации малогабаритно и просто в обслуживании; созданный поверхностный слой имеет высокую прочность сцепления с основным материалом детали, обладает высокой прочностью и износостойкостью.

Процесс упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле легко механизируется и автоматизируется. Изготовление ферромагнитного порошка требуемого химического состава в большинстве случаев более экономично, чем изготовление жесткого электрода для электроискрового легирования. В настоящее время имеется значительный опыт по разработке и практическому использованию этого способа при упрочнении деталей машин. Получаемые покрытия с небольшим припуском на механическую обработку и высокой прочностью сцепления при низкотемпературном воздействии на основу определяют его особую перспективность. Однако высокая шероховатость и пористость наносимых слоев ограничивают его применение в восстановительных технологиях. В связи с этим, дальнейшее исследование электроимпульсного способа с целью получения плотных металлопокрытий при восстановлении деталей является актуальной задачей.

Для решения этой задачи необходима оптимизация основных параметров формирования качественного слоя: согласованность во времени количества подводимой электрической энергии с подачей материала в рабочую зону; применение метода рационального легирования; создание условий, наиболее благоприятных для протекания процесса формирования слоя. Данная работа направлена на реализацию указанных принципов при разработке и исследовании технологии восстановления деталей сельскохозяйственных машин. Это дает возможность предложить некоторые материалы для научного подхода к выбору и обоснованию основных параметров получения качественных высокоизносостойких металлопокрытий электроимпульсным способом.

В результате исследований предложен способ дозирования ферромагнитных порошковых материалов с использованием в качестве дозатора — бункерного дозирующего устройства вибрационного типа. Настоящая работа посвящена разработке более совершенного по стабильности и производительности способа упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле, технологии и устройства для его реализации, исследованию технологического процесса, разработке научно обоснованных рекомендаций по промышленному использованию процесса и его внедрению в производство.

В работе защищается:

1. Способ получения износостойкого покрытия, путем нанесения ферромагнитного порошка в пульсирующем магнитном поле.

2. Закономерности протекания электрофизических процессов в зоне нанесения порошка.

3.Результаты исследований основных режимов нанесения ферромагнитного порошка в пульсирующем магнитном поле, структура, механические свойства нанесенного слоя и технико-экономические показатели процесса.

4. Технологический процесс восстановления опорных шеек распределительных валов двигателей внутреннего сгорания.

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве», Горохова, Марина Николаевна

Общие выводы

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлена целесообразность применения метода восстановления деталей типа «вал» ферропорошками в магнитном поле, на основе чего предложена новая технология восстановления опорных шеек распределительного вала механизма газораспределения двигателей внутреннего сгорания. Разработанный процесс восстановления и упрочнения деталей является высокостабильным и обеспечивает повышение производительности в 1,4-1,7 раза при увеличении удельного привеса в 1,4 — 2,0 раза и коэффициента переноса материала ферропорошка в 1,4 раза по сравнению с существующими процессами восстановления и упрочнения деталей ферропорошками в магнитном поле. Таким образом, поставленная в работе цель достигнута.

2. Рассмотрение схем полярности в процессе восстановления и упрочнения деталей типа «вал» ферропорошками в магнитном поле как комплексного фактора, учитывающего взаимную направленность векторов тока разряда, магнитной индукции и ее градиента, наиболее полно отвечает сущности процесса. В зависимости от предпочтительного технологического результата процесс можно осуществлять по одной из четырех схем полярности. Формирование элементарного участка поверхностного слоя «катода» происходит при четырех-пятикратном воздействии электрических разрядов. В результате действия последующих разрядов наблюдаются микротрещины в восстановленном слое. Увеличение силы тока короткого замыкания от 150 до 300 А приводит к увеличению переноса материала ферропорошка на поверхность образцов катода, толщины поверхностного слоя и к снижению микротвердости. Наибольший перенос материала ферропорошка на поверхность образцов «катода» происходит при величине магнитной индукции 0,18.0,31 Т.

3. Экспериментально доказано, что наилучшие качества слоя получены при использовании смеси с содержанием легирующих элементов: С-4%, Сг-36%, Ni-24.25%, Fe-25.28%. Наибольшее влияние на плотность покрытия оказывает процентное содержание никеля, затем величина процентного содержания углерода, а наименьшее - процентное содержание хрома. Повышение содержания никеля от 12 до 24% сопровождается повышением плотности наносимого слоя. На толщину покрытия наибольшее влияние оказывает процентное содержание углерода, затем никеля и наименьшее - хрома. Характер распределения микротвердости по длине наплавленного образца неравномерный, однако, с увеличением процентного содержания углерода и хрома микротвердость увеличивается, а при увеличении никеля снижается.

4. Предложенное бункерное дозирующее устройство отвечает в полной мере одному из необходимых условий реализации процесса, а именно равномерной во времени и по ширине рабочей части полюсного наконечника подаче ферропорошка в рабочую зону. Согласно полученному уравнению можно утверждать, что величина минутного расхода ферропорошка не зависит от его массы в накопителе. Также по этому уравнению могут быть рассчитаны величины добавочных сопротивлений, обеспечивающих требуемые значения расхода ферроматериала.

5. Создана математическая модель технологического процесса при его реализации по предложенному способу. Исследовано взаимное влияние основных технологических факторов процесса (начального зазора, приращения зазора, тока короткого замыкания, расхода ферропорошка и частоты вибрации полюсного наконечника) на формирование упрочненного слоя (удельный привес, коэффициент сплошности номинальной поверхности и коэффициент переноса материала ферропорошка). Рекомендуемые режимы процесса упрочнения деталей по предложенному способу л обеспечивает удельный привес детали 15,84-26,59 мг/см при производительности 69-85 см /мин и коэффициенте переноса материала ферропорошка до 17,4%.

6. Производственными испытаниями установлено, что восстановление опорных шеек распределительного вала ферропоршками в магнитном поле электроимпульсным способом обеспечивает повышение их ресурса в 1,5 раза по сравнению с существующими процессами восстановления и упрочнения деталей ферропорош-ками в магнитном поле, при этом экономический эффект от внедрения разработанной технологии составляет 177 тыс. рублей на программу 60 тысяч штук в год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Горохова, Марина Николаевна, 2005 год

1. Барский И.Б., Колодий Ю.К., Юй Жуихуа. // Максимальные динамические нагрузки в трансмиссии колесного трактора.- Тракторы и сельхозмашины, 1965, №4.

2. Доценко Н.И. // Восстановление автомобильных деталей сваркой и наплавкой. М.: Транспорт, 1972. - 351с.

3. Жуков В.В. // Ремонт машин инженерного вооружения, М.: ВИА, 1969, 320 с.

4. Дорожкин H.H. // Упрочнение и восстановление деталей машин металлическими порошками. Дис. . д-ра техн. наук. Минск, 1975.

5. Костецкий Б.И. //Трение, смазка и износ в машинах. — Киев: Техника, 1970. — 395 с.

6. Крагельский И.В. //Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. — 480с.

7. Петров Ю.Н. // Основы ремонта машин. М.: Колос, 1972. - 527 с.

8. Ульман И.Е. // Ремонт машин. М.: Колос, 1967.

9. Кряжков В.М., Баранов Ю.Н., Буйлов К.Н. и др. // Восстановление деталей сельскохозяйственной техники механизированной наплавкой с применением упрочняющей технологии. М.: ГОСНИТИ, 1972. - 208 с.

10. Лившиц Л.Г., Поляченко A.B. // Восстановление автотракторных деталей. — М.: Колос, 1966.-479 с.

11. Кряжков В.М. // Научные основы восстановления работоспособности сопряжений деталей сельскохозяйственных тракторов с применением металлопокрытий и упрочняющей технологии. — Дис. д-ра техн. наук. — Л.,

12. ДШко A.A. // Исследование фреттингпроцесса в условиях работы сопряжений сельскохозяйственных машин: Автореф. Дис. . канд. техн. наук. — Киев, 1972.

13. Кугель Р.В. // Статистические характеристики распределения ресурсов шарикоподшипников. Вестник машиностроения, 1971, №3, с. 9 - 12.14