CC BY
67
станки и оборудование
УДК 621.762.669
Новая установка УДгЗ-200 для упрочняющей обработки
В. А. Коротков, С. В. Макаров
Ключевые слова: термическая обработка, плазменная закалка.
Виды закалки
Закалка — наиболее распространенный способ упрочнения деталей и инструмента, однако и у него есть недостатки, ограничивающие применение. Далеко не все детали удается поместить в печь или индуктор токов высокой частоты (ТВЧ) для закалочного нагрева. Казалось бы, закалка газовым пламенем должна была бы выручать в таких случаях, но широкого применения она не получила, для ее проведения необходимо высокое профессиональное мастерство рабочего (он должен визуально определять нужную степень нагрева и своевременно подавать на нагретую поверхность воду) и отвод воды, подающейся на деталь. При закалке обычно происходит существенное повреждение поверхности окалиной, а деталь в целом испытывает деформации. После закалки производят отпуск, который не только дает удорожание, но и снижает твердость, то есть качество закалки.
Плазменная закалка не имеет многих перечисленных недостатков. В 1980-х годах, когда в промышленности появилось достаточно много плазменных установок для резки, сварки, напыления, их начали применять для поверхностной закалки. Закалка плазменной дугой косвенного действия, когда закаливаемая деталь не находится под напряжением, подобна закалке газовым пламенем и имеет присущие последней недостатки: трудность подбора и под-
а)
-Нг
Рис. 1. Закалка детали: а — газовая, с охлаждением; б — плазменная, дугой прямого действия, без охлаждения; 1 — источник питания; 2 — аргон
держания режима, необходимость подачи воды для быстрого охлаждения детали.
При плазменной закалке дугой прямого действия деталь находится под напряжением, что позволяет разогревать лишь тонкий поверхностный слой толщиной 1-2 мм. Благодаря этому быстрое охлаждение, необходимое для закалки, обеспечивается с помощью теплоотвода в ненагретое тело детали (рис. 1). Небольшие размеры плазмотронов допускают ручное управление ими, отсутствие синхронной подачи на деталь охлаждающей воды не рассеивает внимание оператора. Вот почему сложилось представление, что плазменную закалку дугой прямого действия удастся осуществлять вручную. В этом случае плазмотрон, подобно кисти маляра, мог бы добираться до любых участков поверхности и закаливать то, что ранее было недоступно. Однако этого не произошло. Оказалось, что даже небольшие отклонения скорости перемещения и длины дуги от оптимальных значений приводят к оплавлению поверхности или исчезновению закаленного слоя. Поэтому плазменную закалку дугой прямого действия производят лишь на автоматических установках, когда перечисленные параметры точно поддерживаются на заданном уровне.
Разработка метода ручной плазменной закалки
Таким образом, до последнего времени в промышленности не было доступного способа ручной закалки, поэтому его разработка представляла собой актуальную задачу. В век роботов и «безлюдных» производств задача создания ручной технологии может показаться ошибочной, но это не так. Благодаря своей универсальности ручные технологии демонстрируют живучесть. В мире основной объем сварки (более 80 %) выполняется электродами или полуавтоматами, то есть вручную. Ожидалось, что с разработкой ручной закалки объемы работ, производимых таким способом, возрастут и это произойдет за счет изделий, которые ранее невозможно было закалить по тем или иным причинам.
2
СТАНКИ И ОБОРУДОВАНИЕ
Надежды оправдались. В 2002 году была разработана установка УДГЗ-200 (напряжение питающей сети — 2 • 380 В, номинальный ток закалки — 200 А, потребляемая мощность — 20 кВт), в которая не имела перечисленных выше недостатков плазменной закалки дугой прямого действия. После этого номенклатура закаливаемых изделий была увеличена, решен ряд острых проблем на ведущих предприятиях Урала (ОАО «Челябинский металлургический комбинат», ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат», ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», ОАО «Челябинский трубопрокатный завод», ОАО «Качканарский горнообогатительный комбинат "Ванадий"» и др.).
В начале 2000-х годов ФГУП «ПО "Урал-вагонзавод"» впервые за десять лет получил госзаказ на вагоны, что, по оценке генерального директора, было равноценно второму рождению предприятия. Однако его выполнение предусматривало применение более прочных категорий металлопроката, следовательно, резко увеличился расход вырубных штампов. Из-за отсутствия на предприятии иных способов упрочнения, которые можно было бы применить к штампам, специалисты опробовали ручную плазменную закалку рабочих кромок. Важными мотивами к применению такой закалки было отсутствие необходимости приобретения дорогостоящего оборудования и направления капвложений на его освоение, а следовательно, и временных затрат на то и другое.
В результате применения плазменной закалки расход вырубных штампов сокращен в три раза. Существенно уменьшена трудоемкость изготовления крупных штампов и гибочных матриц, которые ранее изготавливались составными из-за больших деформаций при термической обработке.
Рис. 2. Плазменная закалка штампа для формовки труб большого диаметра
Рис. 3. Плазменная закалка вытяжного штампа
На Челябинском трубопрокатном заводе плазменная закалка позволила втрое сократить расход чугунных штампов для формовки труб большого диаметра (рис. 2) и дала экономию в десятки миллионов руб. Такой же эффект получен при опытной закалке штампов на автомобильных предприятиях ГАЗ и ВАЗ. Важной особенностью закалки с помощью установки УДГЗ-200 является то, что она не портит поверхность и пригодна для упрочнения вытяжных штампов в производстве тройников для труб большого и среднего диаметра (рис. 3).
В промышленности существенно больше производственных мощностей по нарезанию зубчатых и шлицевых соединений, чем тех, что производят упрочнение. Следовательно, основная часть соединений эксплуатируется в неупроч-ненном виде, быстро изнашивается и становится причиной частых ремонтов. По этой же причине промышленность не справляется с изготовлением запчастей к импортному оборудованию, чем пользуются его поставщики, непомерно завышая цены на запчасти.
На рис. 4 представлена шестерня с плазменной закалкой зубьев и ее макрошлиф. На Качканарском горно-обогатительном комбинате применение плазменной закалки вместо закалки ТВЧ устранило выкрашивание зубьев приводных шестерен локомотивов и увели-
^И '-?-'б)
Рис. 4. Шестерня с плазменной закалкой (а) и ее макрошлиф (б)
Износ образцов из низкоуглеродистой стали (средний по трем парам)
Образец Износ, г Киз
Колодка
без упрочнения 1,6011 1,0
с плазменной закалкой 0,1666 9,6
Диск
без упрочнения 1,8942 1,0
с плазменной закалкой 0,8305 2,3
Рис. 5. Плазменная закалка зубьев ротора ру-до-усреднительной машины под открытым небом
чило их стойкость. Плазменной закалке были подвергнуты зубья ротора (0 5000 мм) усред-нительной машины агломерационного цеха на Челябинском металлургическом комбинате. Установка УДГЗ-200 позволила проводить закалочные работы прямо на шихтовом дворе под открытым небом (рис. 5). В результате твердость увеличилась в три раза, с НВ 150 до НВ 450. После нормативной для незакаленного состояния наработки зубья сохранились в исправном состоянии, и плановый ремонт стоимостью 9 млн руб. был отменен.
На Нижнетагильском металлургическом комбинате эджерные валы собственного производства для импортной колесопрокатной линии уступали по сроку службы валам зарубежной поставки. Причиной преждевременного снятия с эксплуатации был быстрый износ шлицов. Для его снижения выполнили плазменную закалку, что увеличило твердость стали 5ХНМ с ИИС 35 до ИИС 55. В результате упрочненный вал превзошел по стойкости серийные валы в 2,7 раза, а импортные — на 30 %. Таким образом, плазменная закалка с применением установки УДГЗ-200 может быть рассмотрена как импортозамещающая технология. Опытной закалке подвергалась головка рельса (рис. 6). По результатам испытаний на машине трения (см. таблицу) можно заключить, что произошел феноменальный рост износостойкости в 121 раз. В результате плазменной закалки стойкость увеличилась с ИУ 280 до ИУ 877, то есть на ИУ 597, или в 3,1 раза.
Рис. 6. Головка рельса с плазменной закалкой
Подобные случаи объясняются сменой механизма изнашивания, когда полностью устраняются очаги схватывания и износ происходит лишь из-за усталостного диспергирования. Упрочнение колодки плазменной закалкой не только не увеличило износ сопряженного не-упрочненного диска, но и уменьшило его в 2,1 раза. Факты упрочнения одной детали, которое по меньшей мере не вызывает ускоренного износа сопряженной детали, приводятся в три-ботехнической литературе, но они почти не известны инженерам, работающим на производстве. Более того, многие заводские специалисты придерживаются противоположного мнения и противятся внедрению упрочняющих технологий под благовидным предлогом заботы о сохранности сопрягаемых деталей. Это мешает созданию новых надежных машин и проведению качественных ремонтов.
ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» использует рельсовые маршруты, по которым на тележках перемещают трубы большого диаметра 530^ 820 мм с места проведения одной операции на участок другой. Рельсы поставляют из Германии (тип А55, БШ536, НВ 180... ...220). На некоторых участках рельсы получают предельный износ за 0,5-2,0 месяца. В августе 2006 года были установлены 48 м рельс с плазменной закалкой. До сих пор они сохраняются с допустимым износом. Таким образом, увеличение срока службы рельс в результате плазменной закалки оказалось сопоставимым с результатами испытаний на машине трения.
Подпятниковое место надрессорной балки — одно из самых изнашиваемых в железнодорожном вагоне. С середины 1990-х годов ФГУП «ПО "Уралвагонзавод"» по заданию и требованию Министерства путей сообщения, а теперь РАО «Российские железные дороги» проводит опытно-конструкторские работы по упрочнению этого участка. Сначала было решено приваривать к бурту (сталь 20ФЛ) полукольца из более твердой стали 30ХГС. Однако во время эксплуатации они почти стазу же стали отрываться. Предложили заменить кольца чашами из той же стали 30ХГС, укладываемыми в подпятник. Динамические испытания вагонов показали, что при сильных ударах чаши способны
выскакивать из подпятника. Посадка чаш на клей оказалась неэффективной. Итак, осталось последнее средство — запрессовка чаши в подпятник, которая не только дает значительное удорожание, но и требует создания дополнительных производственных мощностей. Предлагались и другие конструкторские решения, оказавшиеся неприемлемыми.
Таким образом, после рассмотрения многих вариантов было решено исследовать возможность упрочнения бурта из низкоуглеродистой стали (20ГЛ) плазменной закалкой. Предварительные исследования позволили получить распределение твердости по глубине закалки (рис. 7). Можно сделать вывод, что глубина упрочненного (закаленного) слоя составляет около 2,5 мм при наибольшей твердости Н200 = = 300 кг • с/мм2 в слое толщиной 0,5 мм.
Испытания на опытном железнодорожном кольце на станции Щербинка показали что после пятикратного пробега закаленные бурты так и не получили предельного износа. В настоящее время на Уралвагонзаводе внедряется плазменная закалка надрессорной балки и боковых рам вагонной тележки.
Прессножницы предназначены для резки негабаритного металлолома (шихты) на мерные куски длиной 400 мм. Шихта сгружается краном в приемный бункер, затем прессбалка сдвигает ее в загрузочную камеру, где шихту придавливает крышка. После этого толкатель в загрузочной камере поджимает шихту к ножницам, которые и нарезают мерные куски.
Стенки загрузочной камеры и приемного бункера облицованы защитными плитами. Перед первой установкой облицовочные плиты из стали 65Г проходили объемную закалку и получили коробление. Для его устранения требовалась механическая обработка. Чтобы сделать механообработку возможной, проводили отпуск для снижения твердости до ИИС 35... 40.
Глубина, мм
Рис. 7. Распределение микротвердости по глубине закаленной дорожки на стали 20ГЛ
За пять лет эксплуатации облицовочные плиты, прошедшие закалку и отпуск, полностью износились. На них появились выломы, дальнейшая эксплуатация ножниц стала невозможной.
Недостатки данной технологии (большая трудоемкость термообработки в печах и последующей механообработки, низкая твердость из-за необходимости проведения механообработки) были устранены в результате применения плазменной закалки. Плиты были про-фрезерованы «в размер» перед закреплением, а после него очищены от ржавчины пескоструйной обработкой. Схема закалки — полосами шириной 60 мм через 50 мм поперек направления движения шихты. В результате закалки твердость увеличилась с ИИС 20 до ИИС 50, что выше твердости ИИС 35 ранее применяемых плит.
Выводы
Среди упрочняющих технологий наиболее распространена закалка, но и она не всегда применима из-за конструктивных особенностей подлежащих закалке деталей. Плазменная закалка получила известность примерно 30 лет назад. По концентрации теплового воздействия она близка к лазеру и позволяет получать на-ноструктурируемый упрочненный слой, превосходящий по износостойкости обычную закалку в печах или на установках ТВЧ.
Плазменная закалка осуществляется удобными для манипулирования плазмотронами-горелками. Поэтому сложилось представление, что их можно будет использовать в самых труднодоступных местах и существенно расширится сфера применения закалки. Однако этого не случилось из-за высокой чувствительности качества закалки к отклонениям режима.
В настоящей работе представлена установка УДГЗ-200, позволяющая выполнять закалку вручную, несмотря на неизбежные колебания длины и скорости перемещения дуги. Это позволило существенно расширить область применения закалки за счет объектов, обработка которых закалкой ранее была недоступна. Внедрение плазменной закалки в производство не требует капитальных затрат на модернизацию производственных цехов. Более того в некоторых обстоятельствах плазменная закалка выполнялась прямо под открытым небом.
Плазменная закалка по новому способу упрочняет поверхность на глубину до 1-2 мм, пренебрежимо мало влияет на шероховатость и деформацию деталей. Это позволило использовать ее в качестве финишной обработки и получить большую экономию на сокращении трудоемкости механической обработки закаленного слоя.
146
№ 5 (53)/2009
