CC BY
20
В [СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УШВЕРСИТЕТУ 2009 р. Вип. № 19
УДК 621.791.927.5
Серенко В.А.*
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА НАПЛАВКИ ПОРШНЕЙ
Приведены параметры оптимизации технологии наплавки алюминиевых поршней двигателей внутреннего сгорания. Выбран профиль канавки, по очертанию близкий к линии сплавления и по предварительным экспергшентал4 обеспечивающиг1 лучшую дегазацию строчной ванны.
При разработке технологии наплавки поршней необходимо учитывать, что ее схема, режимы и другие параметры зависят от назначения процесса: изготовительная наплавка (при производстве новых поршней) и восстановительная (при наплавке изношенных поршней).
Рассмотрим, как определяются технологические параметры для упрочнения новых поршней. Работоспособность металла, нашавленного в зоне канавки под первое компрессионное кольцо импульсно-дуговым способом порошковой проволокой в среде аргона, определяется факторами, важнейшим из которых является состав и качество нашгавленного металла, форма прогаавления [1,2]. Указанные факторы зависят, в свою очередь, от выбранных типоразмеров начальной канавки под наплавку поршней, режима дугового процесса, состава порошковой проволоки [3].
Целью данной работы является расчетное определение и экспериментальное подтверждение геометрических параметров предварительно проточенной канавки под наплавку алюминиевых поршней.
Учитывая, что априорно нельзя с достаточной степенью верности оценить влияние того или иного фактора на конечный результат, было применено экспериментально-статистическое моделирование. Для оптимизации технологии наплавки использовалась теория планирования эксперимента. В исследование включены девять выходных параметров, определяющих результирующие свойства и качество наплавки.
Перед наплавкой производилась предварительная проточка канавки специального профиля, обеспечивающего легкую варьируемость параметров с целью поиска наилучшего варианта (рис. 1).
Рис. 1 - Профиль канавки под наплавку (а), вид наплавленного валика (б), профиль нарезанной канавки под компрессионное кольцо (в)
Выбранный профиль канавки по очертанию близок к линии сплавления и по предварительным экспериментам обеспечивает лучшую дегазацию сварочной ванны. Кроме того, заполнение такого профиля требует минимума массы наплавленного металла и, следовательно, минимума потребляемой электроэнергии.
Расчетный радиус канавки К определяли по следующей зависимости |4| (рис. 1).
,/£/?-(Ш
А' -^-т, (1)
%р-со э/Г1
где р = I 2а.
*ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
Масса наплавленного шва единичной длины может быть определена по формуле
С = Рнр, (2)
где Рн - площадь поперечного сечения наплавленного шва, \Г: р - плотность металла наплавки, кг/м .
Площадь /•'„ зависит от площади канавки /•',. и площади валика /'„:
+ ^ (3)
Величины составляющих площади Рн вычисляем по зависимостям:
1<\ (Но -R)(0.5b+Rcosp1)+R2tgp+27l Я2((90-р)/360)\
Рв*0,73её. (4)
Глубина проплавления И (рис. 16), ширина валика е и его высота g зависят не только от параметров режима наплавки, но и от угла наклона у плоскости порошкового электрода к оси поршня к вектору скорости наплавки (рис. 2)
Для получения экспериментально-статистических зависимостей между технологическими параметрами наплавки поршней, твердостью и качеством наплавленного металла использовали симплексно-решетчатое планирование, что позволило значительно уменьшить количество экспериментов.
По результатам двенадцати опытов были построены уравнения регрессии вида
у = Ъ1х1+ Ъ2х2 + Ъ3х3 + Ь12Х]Х2 + Ъ ¡3X2X3 + Ь23х2х3 + Ьтх!х2х3 (5)
Статистическая обработка результатов эксперимента проведена по стандартной методике.
Проведен расчет дисперсий в каждой экспериментальной точке с последующей проверкой их однородности по критерию Кохрена, вычислены дисперсии воспроизводимости и адекватности, построены доверительные интервалы для полученных коэффициентов регрессии.
Проверка адекватности полученных уравнений производилась по Р-критерию Фишера.
Полученные модели дают возможность представить зависимость твердости наплавленного металла и его формирование от параметров режима наплавки.
При этом была достигнута область оптимума параметров режима наплавки и геометрических параметров предварительно протачиваемой канавки под наплавку, позволяющих получить наплавленный металл необходимой твердости и качества.
Анализ велся с учетом стабильности протекания дугового процесса, хорошего формирования сварного шва, минимального разбрызгивания и пористости. При этом были приняты следующие ограничительные признаки:
- отсутствие пор в металле наплавки (за исключением пор в верхней, удаляемой мехобработкой части наплавленного валика);
- отсутствие подрезов и несплавлений с основным металлом;
- хороший внешний вид наплавленного валика.
Оптимальные размеры предварительно протачиваемой канавки под наплавку имеют следующие значения:
- глубина канавки Иа = 4 мм;
- ширина канавки в верхней части Ъ = 6 мм;
- угол наклона стенок а = 15 град;
- радиус дна канавки Я = 2,5 мм.
Качество формирования наплавленного валика оценивали при помощи метода ранжирования, основанного на обработке качественной субъективной информации, полученной в результате опроса мнений специалистов.
Ун Ось порш ня ь 1 л, 1
л /
ь/ 1 1 I 1 1 1 _. ! 1 —1— Ось кананси У
Рис. 2 - Схема расположения электродной ленты при наплавке
Таким образом, получены следующие оптимальные параметры режима изготовительной наплавки поршней:
1СВ - 300 А, ид - 24 В, Усв -30 м/ч, 1имп - 800 А, тимп - 1,9- 10"3с, у - 10 град. Параметры процесса восстановительной (ремонтной) наплавки изношенных поршней будут отличаться от параметров изготовительной, поскольку она производится в готовую канавку под поршневое кольцо, размеры которой колеблются в зависимости от типа двигателя.
Прямоугольный профиль канавки вызывает дополнительные трудности в подборе режимов в связи с возможными дефектами в виде несплавления в углах канавки и повышенной склонностью к порообразованию в нижней части наплавленного валика.
Важным фактором, который необходимо учитывать при отработке технологии наплавки, является характер переноса электродного металла в сварочную ванну. Использование порошкового электрода (плющенки) наряду с большими достоинствами имеет явный недостаток, связанный с подвижностью шихты в алюминиевой оболочке, что может приводить к частичному просыпанию шихты в момент оплавления.
При наплавке на постоянном токе обратной полярности устойчивый процесс плавления и переноса электродного металла, при использовании порошкового электрода марок ПЛ-МА-5..7, наблюдается при токах более 350 А. Однако наплавка на таком режиме приводит к перегреву основного металла (поршня) и его разупрочнению и, кроме того, из-за глубокого проплавления и интенсивного перемешивания наплавленного и основного металла происходит снижение концентрации легирующих компонентов в наплавленном металле с соответствующим снижением жаропрочных характеристик.
Для устранения упомянутых трудностей наплавки порошковым электродом рекомендуется использование высокопроизводительного процесса импульсно-дуговой наплавки в среде аргона.
Полученные результаты исследований могут быть использованы при дальнейшем изучении влияния варьируемых технологических факторов, определяющих результирующие свойства и качество наплавки.
Выводы
1. Выбран профиль канавки под наплавку, по очертанию близкий к линии сплавления и по предварительным экспериментам обеспечивающий лучшую дегазацию сварочной ванны.
2. Приведены расчетные зависимости радиуса канавки под наплавку Я, глубины проплавления /?, ширины валика е и его высота g, зависящие не только от параметров режима наплавки, но и от угла наклона ^плоскости порошкового электрода к оси поршня.
3. Для восстановительной наплавки рекомендовано использование высокопроизводительного процесса импульсно-дуговой наплавки в среде аргона.
Перечень ссылок
1. Лызо Г.П. Тракторы, автомобили, двигатели / Г.П. Лызо, А.П. Лызо, В.А. Лозовский. - М.: Высшая школа, 1968. - 500 с.
2. Канарчук В.Е. Долговечность и износ двигателей при динамических режимах работы / В.Е. Канарчук. - К.: Наукова думка, 1978. - 256 с.
3. Шалай А.Н. Исследование износа канавок алюминиевых поршней форсированных дизелей /
A.Н. Шалай II Тр. ЦНИДИ. - 1979. - Вып. 76. - С. 74 - 77.
4. Серенко В.А. Разработка электродных материалов для усовершенствования промышленной технологии упрочнения алюминиевых поршней: Дис. ... канд. техн. наук: 05.03.06. /
B.А. Серенко. - Мариуполь, 2001. - 189 с.
Рецензент: А.Д. Размышляев д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 26.03.2009
