CC BY
3
In this article, effective methods of performing contact measurements on the CMMM are considered, recommendations for their implementation are given to minimize possible errors. Recommendations on the choice of the measuring tip are given.
Key words: CMMM, measurements, contact sensor, diameter, position, error.
Nikolsky Sergey Mikhailovich, metrology engineer, [email protected], Russia, Tula, JSC "Tulamashza-
vod"
УДК 621.787
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-491-492
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА УПРОЧНЁННОГО НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
А.Е. Хачкинаян
Рассмотрено влияние режимов наплавки и накатки роликами наплавленного металла на качество поверхностного слоя восстанавливаемой детали. С учётом проведенных теоретических расчётов и практических результатов, разработана номограмма выбора оптимальных режимов накатки роликами наплавленного металла, позволяющая быстро определить режимы упрочнения металла, наплавленного при восстановлении изношенных цилиндрических деталей.
Ключевые слова: наплавленный металл, накатка роликами, режимы наплавки и накатки, номограмма, усилие накатки, глубина наклёпа, качество металлопокрытия.
Опыт передовых ремонтных предприятий железнодорожного транспорта показывает, что использовать остаточный ресурс долговечности у изношенных цилиндрических деталей по прочности весьма эффективно с помощью наплавки. Доля износостойкой наплавки повышенной твердости, получаемой в результате использования легированных проволоки и флюса, в ремонтном производстве составляет более 50 %. Но значительным тормозом в применении износостойких наплавок является трудность их механической обработки.
Для наплавленного металла характерны: значительный разброс механических свойств; нестабильность структуры и неравномерность поверхностной твёрдости по длине детали; наличие включений и металлургических дефектов; наличие неблагоприятных растягивающих напряжений; снижение усталостной прочности наплавленных деталей. Разброс механических свойств наплавленного металла ведет к снижению важной характеристики металла -износостойкости.
В РГУПСе разработаны технологический метод и установка, позволяющие при восстановлении изношенных деталей использовать тепло сварочной дуги путем совмещения в одной технологической схеме процессов автоматической электродуговой наплавки под флюсом цилиндрических деталей и упрочняющей обработки накатными роликами нанесённого слоя металла (рис. 1). Упрочнение наплавленного металла в процессе его наплавки накатными роликами позволяет улучшить структуру и уменьшить число дефектов в наплавленном слое, повысить поверхностную твёрдость и износостойкость наплавки, увеличить усталостную прочность ремонтируемых деталей, получить на поверхности и по глубине наплавки благоприятные сжимающие напряжения. Всё это способствует увеличению надежности и долговечности наплавленных деталей [1, 2].
При накатке роликами наплавленного слоя от режима наплавки, марки наплавочной проволоки и флюса, размера и скорости вращения детали в процессе наплавки, количества вводимого сварочной дугой тепла зависят режимы упрочняющей обработки, формирование и качество поверхностного слоя восстанавливаемой детали.
Качество нанесенного слоя металла во многом зависит от выбора режимов процесса восстановления детали. При разработке режимов наплавки в качестве исходных данных принимаются: форма и размеры восстанавливаемых поверхностей; величина износа; твердость наплавляемой детали. При выборе величины сварочного тока можно пользоваться эмпирической формулой [1, 2, 10]:
I св. = 40 • Ш, А
где Б - диаметр наплавляемой детали, мм.
Напряжение источника питания вычисляем по формуле [1, 2, 10]:
и = 21 + 0,04 • I св., В.
При выборе режимов наплавки также необходимо учитывать некоторые практические рекомендации. С увеличением силы тока глубина проплавления и высота валика возрастают, а ширина шва изменяется незначительно; увеличение проплавления ведет к возрастанию доли металла подложки в наплавленном слое и, следовательно, к уменьшению концентрации легирующих элементов в нем. Поэтому величина тока должна быть минимальной, но обеспечивающей устойчивое горение дуги. Увеличение напряжения дуги ведет к некоторому уменьшению глубины проплавления основного металла детали и резкому увеличению ширины наплавленного валика.
Для быстрого выбора режимов наплавки был установлен оптимальный диапазон (заштрихованная область) применяемых величин сварочного тока и напряжения сварочной дуги для различных диаметров восстанавливаемых деталей (рис. 3 и 4).
Необходимую толщину наплавляемого слоя можно определить по формуле [1, 2, 3]:
И =5и +5п +5 ч +5 ^ мм
где 5и - толщина изношенного слоя поверхности детали, мм; 5п - припуск на механическую обработку изношенной детали перед наплавкой, мм; 5 ч - припуск на черновую обработку наплавленного слоя металла, мм; 5о - припуск на чистовую обработку наплавленного слоя металла, мм.
Б-Б
Л-А
Рис. 1. Схема наплавки и накатки самоцентрирующимися роликами: 1 - деталь; 2 - накатные ролики; 3 - мундштук наплавочного автомата; 4 - флюсопровод; 5 - шлаковая корка; 6 - резец шлакоудаляющего
устройства
160 18 0 20 0 22 0 240 Диаметр детали, мм
Рис. 2. Оптимальные значения величины сварочного тока в зависимости от диаметра детали
160 180 200 220 240 Диаметр детали, мм
Рис. 3. Оптимальные значения напряжения сварочной дуги в зависимости от диаметра детали
Искомую величину рассчитывают для каждой наплавляемой детали отдельно, исходя из предъявляемых к ней требований и вариантов обработки.
Шаг наплавки определяется перекрытием наплавляемых валиков и влияет на волнистость поверхности наплавленного слоя металла детали [4, 10]:
Ss = (2...2,5) • d, мм,
где d - диаметр наплавочной проволоки, мм.
Результаты проведенных расчетов для различных вариантов сведены в график (рис. 4).
1,6 1.8 2 2.5 3 Д[гаметр наплавочной проволок», мм Рис. 4. Оптимальные значения шага наплавки в зависимости от диаметра проволоки
Скорость подачи наплавочной проволоки определяется возможностью её полного расплавления и рассчитывается по формуле [2, 5]:
4 • К н • I с
Уэ =
^ '-'св. м/ч,
п•d2 •у
где Кн- коэффициент наплавки, г/А • ч; у - плотность наплавленного металла шва, г/см3 Коэффициент наплавки можно вычислить по формуле [1, 6]:
K н = 2,3 + -
0,065 • I с
d
г/А • ч.
Увеличение вылета наплавочной проволоки повышает электрическое сопротивление цепи и отражается на геометрии наплавленных валиков. Вылет наплавочной проволоки можно определить по формуле [7, 10]:
Н = (10...12) • й, мм.
Скорость наплавки обусловливается требуемой шириной, высотой наплавленных валиков и глубиной про-плавления основного металла детали и может быть найдена по формуле [8, 10]:
V = Кн • 1с
' и
м/ч.
к••у'
Большое значение при наплавке тел вращения по винтовой линии для формирования слоя имеет правильный выбор смещения электрода с зенита, которое определяется по формуле [2, 9]:
е = (0,05...0,07)• Б, мм.
Угол наклона самого электрода относительно детали может составлять 0...8 град. Результаты расчетов оптимальных величин вылета электрода и его смещения с зенита относительно наплавляемой детали сведены в графики (рис. 5 и 6), и на них заштрихован оптимальный режим.
1.6 1.8 2 2.5 3 Диаметр наплавочной проволоки, мм
Рис. 5. Оптимальные значения вылета электродной проволоки в ■зависимости от её диаметра
200 220 240 Диаметр летали, мм
Рис. 6. Оптимальные значения смещения проволоки с зенита в зависимости от диаметра детали
К основным параметрам режима упрочнения наплавленного слоя металла относятся: глубина наклёпанного слоя металла; усилие накатывания; диаметр накатных роликов; диаметр наплавляемой и накатываемой детали; осевая подача роликов; скорость накатывания; число проходов роликом. От выбранных значений этих параметров зависит шероховатость поверхности, степень упрочнения, физико-механические свойства поверхностного слоя металла, производительность обработки. Очевидно, что при выборе режимов упрочнения необходимо учитывать все факторы, при этом стремиться к оптимальным значениям. Неправильно выбранный режим упрочнения наплавленного металла значительно снижает производительность процесса и ухудшает эксплуатационные качества деталей.
Глубина наклёпанного слоя металла, являясь основным параметром упрочнения накатыванием, зависит от параметров режима накатывания и свойств наплавленного металла, а подача и число проходов роликов не оказывают существенного влияния на глубину наклёпанного слоя [1, 2, 10]:
5
t = b
4
P
17
10+ln(b/a)
, мм.
5 •(Ь/а)3/2 + 3 Iа •Ь •стт 6 + 1п(Ъ/а), где Ь - малая полуось пятна контакта ролика с наплавленным металлом, мм; а - большая полуось пятна контакта ролика с наплавленным металлом, мм; Р - усилие накатки роликами наплавленного металла, Н; от - предел текучести наплавленного металла, МПа.
Полуоси пятна контакта ролика с наплавленным металлом определяются по формулам [1, 2]:
а =
2 • Ah • R
Rp + Rg + h
, мм;
b =
Ah •
( 2,25 • SH + H 2
—-н--Ah
v
H
+ Ah, мм;
/
где Дк - изменение диаметра детали после накатки роликами, мм; Ц - радиус накатного ролика, мм; В
Р ^
■ради-
ус детали, мм; к - толщина наплавленного слоя после деформации роликами, мм; Н - толщина наплавленного слоя
493
до деформации роликами, мм.
Усилие упрочнения должно быть минимальным, при котором достигается требуемая точность размера и шероховатость поверхности. При этом следует учитывать, что слишком малое усилие не обеспечивает полного смятия гребешков исходного микропрофиля поверхности и получения требуемой толщины наклепанного слоя. В том случае, если усилие упрочнения превышает предел прочности металла, происходит разрушение кристаллов металла, деформация детали и повышенный износ инструмента. Усилие накатки определяется по формуле [1, 2, 10]:
Р = -
0,385стт Яра
/
к ( 2/Ь 21 ехр— -1| + -
, а ^ а 2к\ — | cos— 21 2
2 а cos — 4
0,87/Ь\ 1 + cos
ехр-
2
« а
-1
,Н,
где а - угол деформации, рад; / - коэффициент трения при деформации наплавленного металла; к(а/2) - функция. Угол деформации при упрочнении цилиндрических деталей определяется по формуле [10]:
2 + к)
а = \Ак _ (_ ' —^^,рад.
Яр (Яр + Яд + к)'
На основании проведенных исследований [2, 5, 8] можно рекомендовать усилия накатки в диапазоне Р = 7...10 кН. Окончательный выбор усилия накатки горячего наплавленного металла следует производить исходя из конкретных условий.
Наиболее простым и надежным методом определения оптимального усилия упрочнения является метод пробных проходов, при котором на участках (15...20 мм) специального образца проводится накатка роликами с постоянно возрастающим усилием до тех пор, пока размеры детали, шероховатость поверхности и глубина наклепанного слоя наплавленного металла не достигнут требуемых значений. Обычно число проходов не превышает 3...5.
Подача ролика может быть радиальной и осевой. Наилучшее качество поверхности достигается при накатке с радиальной подачей, однако на практике цилиндрические детали накатывают с осевой подачей роликов. При накатке с подачами роликов меньше оптимальных значений может происходить перенаклеп поверхности, так как увеличивается число циклов нагружения больше допустимого. При упрочнении двумя роликами рекомендуемый диапазон подач 0,2...0,6 мм/об. детали.
Число проходов ролика не оказывает существенного влияния на глубину наклепанного слоя. Поверхностная твердость существенно возрастает после двух проходов, при дальнейшем увеличении количества проходов она увеличивается незначительно. Повторные проходы несколько влияют на шероховатость поверхности в сторону её уменьшения и, как правило, производятся в зависимости от тех задач, которые ставятся при накатывании.
При упрочняюще-сглаживающих режимах накатывания первый проход роликов позволяет полностью деформировать гребешки от предыдущей поверхностной обработки, повторные проходы приводят к незначительному уменьшению шероховатости поверхности. При сглаживающих режимах повторный проход приводит к более заметному повышению класса чистоты поверхности (примерно на один класс) за счет дополнительного деформирования неровностей, полученных от предварительной обработки. Накатка роликом более чем в два-три раза допускается как исключение.
На режимы накатки роликами существенное влияние оказывают толщина и шаг наплавки, которые, в свою очередь, зависят от режима наплавки - величины тока, диаметра и скорости подачи электродной проволоки, напряжения, скорости наплавки.
Свойства наплавленного металла зависят от марки электродной проволоки и типа защитной среды при наплавке. На режимы накатки существенное влияние оказывает предел текучести наплавленного металла при температуре в зоне пластической деформации. Повышение температуры наплавленного металла оказывает существенное влияние на его механические характеристики. При этом наплавленный металл имеет различные химический состав и механические свойства. При повышенных температурах в этих наплавках изменяется пластичность металла. Предел текучести наплавленного металла зависит от его химического состава и температуры (рис. 7).
Предел текучести наплавленного металла, МПа 400 300 200
800
600
400
200 £>
Зд 2в 16 4а Зе 1а 2д 4е Зг 4г 4к 2е 2г
Рис. 7. График зависимости предела текучести наплавленного металла от температуры: 1 - пружинная проволока 2-го класса; 2 - проволока Св-08А; 3 - проволока Св-08Г2С; 4 - проволока Нп-30ХГСА; а - флюс АН-348А; б - флюс АН-348А + 2,5 % графита + 2 % феррохрома; в - флюс АНК-18; г - углекислый газ; д - флюс ОСЦ-45М; е - флюс АН-28; к - флюс АН-20
С учётом содержания в нём углерода, хрома и марганца можно определить предел текучести при различных температурах по формуле [7, 9]:
стт = 9'807(+С +М + °'3^^)(1400-Т), МПа,
а
где С, Мп, Сг - соответственно содержание в наплавленном слое углерода, марганца и хрома, %; Т - температура наплавленного металла, °С.
Скорость накатки особенно не влияет на качество металлопокрытия, поэтому для повышения производительности процесса рекомендуется выбирать максимально возможную скорость накатки.
С целью определения оптимального варианта режимов пластической деформации наплавленного металла были проведены теоретические расчёты. Очень хорошие результаты с точки зрения выбора оптимальных режимов упрочнения дает разработанная номограмма (рис. 8). Применение данной номограммы позволяет быстро определить режимы упрочнения металла, наплавленного при восстановлении изношенных или изготовлении новых цилиндрических деталей, с учетом вышеизложенных параметров наплавки и накатки. Ключ к номограмме приведён на рис. 9.
Глубина наклепа, мм Предел текучести, - К) МПа
3 2,75 2,5 2.25 2 1,75 1,5 1.25 1 0.75 0.5 50 45 40 35 30 25 20 15 10
Рис. 8. Номограмма для определения режимов накатки роликами металла в процессе его наплавки на цилиндрическую деталь: 1 - пружинная проволока 2-го класса; 2 - Св-08А; 3 - Св-08Г2С; 4 - Нп-30ХГСА; а - флюс АН-348А; б - флюс ОСЦ-45М; в - газ СО2;_шаг наплавки - 4 мм/об.;---шаг наплавки - 6 мм/об.
Задаваясь диаметром накатных роликов и усилием накатки, по номограмме (рис. 8) можно определить глубину наклепа. И наоборот, задаваясь усилием накатки и требуемой глубиной наклепа, можно определить необходимый диаметр роликов. Зная диаметр наплавляемой детали и толщину наплавки, можно подобрать марку наплавочной проволоки, защитную среду и необходимые режимы наплавки и накатки. Номограмма несложна, учитывает все параметры наплавки и накатки и исключает трудоемкие расчеты, что позволяет рекомендовать ее при определении режимов накатки наплавленного металла роликами.
на цилиндрическую деталь: 1 - усилие накатки (Р); 2 - глубина наклёпа (I); 3 - диаметр ролика (Ор); 1а, 2б, 3б - марка сварочной проволоки и защитной среды
Пример. Исходные данные: диаметр наплавляемой детали - 80 мм; толщина наплавленногослоя - 2,5 мм; шаг наплавки - 4 мм/об; сварочная проволока - пружинная 2-го класса; флюс - АН-348А; температура металла в зоне деформации - 500 °С. Необходимая глубина наклёпа - 2 мм.
По номограмме определяем, что для получения глубины наклёпа 2 мм необходимое усилие накатывания 11,5 кН при диаметре накатного ролика 200 мм, 17 кН при диаметре накатного ролика 160 мм и соответственно 22,5 кН при 120 мм.
Список литературы
1. Бойко Н.И. Зиновьев В.Е., Хачкинаян А.Е. Технические средства и методы повышения долговечности деталей транспортных машин: монография. Ростов н/Д: РГУПС, 2003. 238 с.
2. Бойко Н.И., Хачкинаян А.Е., Бойко Т.А. Исследование технологии повышения качества наплавленного металла деталей поверхностным пластическим деформированием: монография. Ростов н/Д: РГУПС, 2015. 193 с.
3. Бойко Н.И., Какуевицкий В.А., Песенко А.В. Упрочнение термомеханической обработкой коленчатых валов при восстановлении их наплавкой // Сварочное производство. 1973. № 4. С. 15-16.
4. Бойко Н.И. Ремонт деталей машин с термомеханической обработкой роликами // Механизация строительства. 1974. № 11. С. 16-18.
5. Бойко Н.И. Управление качеством наплавленного металла / Н.И. Бойко, А.Е. Хачкинаян // Вестник РГУПС. 2014. № 3 (55). С. 8-14.
6. Бойко, Н.И. Термомеханическое упрочнение наплавленного металла: монография. Ростов н/Д: РИИЖТ, 1986. 184 с.
7. Бойко Н.И. Повышение качества поверхности деталей машин ресурсосберегающими технологиями: учебник для вузов. Ростов н/Д: РГУПС, 1995. 254 с.
8. Бойко Н.И. Исследование технологических параметров процесса обкатывания роликами наплавленного металла / Н.И. Бойко, А.Е. Хачкинаян, Г.В. Санамян // Упрочняющие технологии и покрытия. М.: Машиностроение, 2006. № 10. С. 34-37.
9. Бойко Н.И. Ресурсосберегающие технологии повышения качества поверхностных слоёв деталей машин: учебное пособие для вузов на ж.д. транспорте. М.: Маршрут, 2006. 198 с.
10. Бойко Н.И., Хачкинаян А.Е., Бойко Т.А., Коробейников В.В. Исследование влияния упрочняющей обработки горячего наплавленного металла деталей на его трение и изнашивание: монография. Ростов н/Д: РГУПС, 2017. 178 с.
Хачкинаян Амбарцум Ервандович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
RESEARCH OF THE QUALITY OF HARDENED WELD METAL A.E. Khachkinayan
The influence of surfacing modes and rolling of deposited metal by rollers on the quality of the surface layer of the restored part is considered. Taking into account the theoretical calculations and practical results, a nomogram has been developed for choosing the optimal modes for rolling the deposited metal with rollers, which allows you to quickly determine the modes of hardening of the metal deposited during the restoration of worn cylindrical parts.
Key words: deposited metal, roller rolling, surfacing and rolling modes, nomogram, rolling force, work hardening depth, quality of metal coating.
Khachkinayan Ambarzum Ervandovich, сandidate of technical sciences, docent, ambarzum21 @yandex. ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University
