CC BY
8
Евгении Михаилович Асманкин, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, kaf34@orensau.ru
Вячеслав Сергеевич Стеновский, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, kaf36@orensau.ru
Sariya V. Tarasova, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, saria2012mail.ru
Yuriу A. Ushakov, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, 1u6j1a159@mail.ru
Evgeny M. Asmankin, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kaf34@orensau.ru
Vyacheslav S. Stenovsky, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Orenburg State Agrarian
University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kaf36@orensau.ru
-♦-
Научная статья УДК 631.7
Процесс плазменной обработки металла для повышения износостойкости сегментных ножей
Алексей Владимирович Ставицкий, Вячеслав Юрьевич Паульс
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. Разработана технология по повышению износостойкости ножей, которая может быть использована для упрочнения сегментных ножей зерноуборочных и кормоуборочных комбайнов. Среди технологических процессов, предусмотренных этой технологией, большое внимание уделяется плазменной резке металла машинами-автоматами. Качество заготовки деталей важно для всех этапов производства, а на начальных этапах, особенно на этапе предварительной сборки конструкций, оно имеет первостепенное значение. Высокоточная вырезка деталей из листов, подготовка сопряжений без предварительного причерчивания и подрезки кромок, отсутствие необходимости в подстругивании кромок и т.п. - всё это существенно снижает трудозатраты на изготовление корпусных конструкций, позволяет механизировать и частично автоматизировать процесс их сборки, повышает качество сборочных единиц в целом, сокращает сроки и общую трудоёмкость изготовления деталей и сборки.
Ключевые слова: износостойкость, сегментные ножи, уборочная техника, электродиффузионная обработка, плазменная резка.
Для цитирования: Ставицкий А.В., Паульс В.Ю. Процесс плазменной обработки металла для повышения износостойкости сегментных ножей // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91). С. 108 - 113.
Original article
Plasma metal treatment process for increasind the wear resistance of segment knives
Alexey V. Stavitsky, Vyacheslav Yu. Pauls
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. A technology has been developed to improve the wear resistance of the knives, which can be used to strengthen the segment knives of grain and forage harvesters. Among the technological processes provided by this technology, much attention is paid to plasma cutting of metal with automatic machines. The quality of the part blank is important for all stages of production, and at the initial stages, especially at the stage of preliminary assembly of structures, it is of paramount importance. High-precision cutting of parts from sheets, preparation of mates without preliminary drawing and trimming of edges, no need for trimming edges, etc. - all this significantly reduces labor costs for the manufacture of hull structures, allows mechanization and partially automates the process of their assembly, improves the quality of assembly units in general, it reduces the time and overall labor intensity of parts and assembly manufacturing.
Keywords: wear resistance, segment knives, harvesting equipment, electrodiffusion processing, plasma cutting.
For citation: Stavitsky A.V., Pauls V.Yu. Plasma metal treatment process for increasind the wear resistance of segment knives. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5): 108 - 113. (In Russ.).
Для увеличения объёмов производства и производительности ручного труда применяют различные машины термической резки на основе высококонцентрированных источников энергии. Такие машины, а также роботизированные ком-
плексы плазменного раскроя металла, полуавтоматы и посты для ручной плазменной резки широко представлены на современном производстве [1, 2].
Рынок станков плазменной резки представлен в РФ такими производителями, как
«КИБЕРСТЕП», «РИТМ», «МИКРОН», а также НурегЛегт (США), Gebora (Италия) и др.
Развитие машиностроения и металлургии в современных условиях предъявляет всё более жёсткие требования к технологиям обработки конструкционных материалов [3]. Одним из основных направлений обработки конструкционных материалов являются их резка и раскрой. Параметры качества реза зависят от технологических режимов резки. При оптимальных режимах можно получить почти параллельные кромки реза с минимальной шероховатостью, тем самым минимизируя затраты на дальнейшую обработку деталей.
Материал и методы. Технологический процесс плазменной резки включает в себя следующие операции: врезание (с кромки листа или, при необходимости, с пробивки исходного отверстия), резку прямолинейных и криволинейных участков заданного контура и завершение реза. Основной операцией является прямолинейная резка заготовок с вертикальными кромками [4].
В составе назначаемых режимов и условий резки указывают рабочую плазмообразующую среду, рабочий ток, диаметр и длину сопла, расход рабочей среды, расстояние от рабочего торца плазмотрона до поверхности металла, а также рабочее напряжение дуги и скорость резки.
Рабочие плазмообразующие среды должны обеспечивать эффективное формирование режущей дуги; получение высококачественных кромок реза; эффективную передачу разрезаемому металлу тепловой энергии, заимствованной в столбе дуги; длительную работу формирующих элементов плазмотрона; получение дополнительной энергии для резки за счёт экзотермических реакций; экономичность и безопасность работы.
Рабочие среды наиболее широко используются в виде технических газов: азота, аргона, водорода, кислорода, сжатого воздуха и др.
В технологии машиностроения под качеством поверхности реза при термических способах раскроя понимают отклонение поверхности реза от перпендикулярности, шероховатость поверхности реза и зону термического влияния. В общем случае для оценки геометрического состояния поверхности после механической обработки используется также характеристика волнистости.
При изучении практики использования метода плазменного раскроя листового проката сталкиваются с явно недостаточным объёмом информации по технологии термического резания, которую предоставляет производитель установок плазменной резки.
Результаты исследования. Широкое распространение для раскроя стального проката толщиной до 60 мм получила воздушно-плазменная резка. Однако следует отметить и основные недостатки метода: низкая стойкость электродов;
вероятность насыщения поверхности реза газами, входящими в состав воздуха; зависимость износа расходных материалов от чистоты и влажности воздуха, толщины разрезаемого металла и величины рабочего тока.
Согласно полученным результатам исследований авторы делают вывод о том, что использование кислорода как плазмообразующего газа нецелесообразно для толщины до 10 мм из-за увеличения ширины реза, оплавления кромок (скругляются острые углы), а также некоторого увеличения шероховатости. Вид кромок реза при смене плазмообразующего газа показан на рисунке 1.
Изменение шероховатости в зависимости от скорости резания для различных условий обработки представлено на рисунке 2. При увеличении скорости обработки на кислороде шероховатость ухудшается, при увеличении скорости обработки на воздухе наблюдается незначительное увеличение шероховатости.
Несмотря на привлекательность технологических схем Hi-FocusF с токовым режимом
Рис. 1 - Вид кромок реза при смене
плазмообразующего газа (материал -сталь толщиной 8 мм; скорость обработки - 1,75 м/мин)
Шероховатость
Брак
Низкая
3 1
- / / / /
/
—
0,375 0,75 15 2,25 3 3.75
Скорость обработки, м/мин
Рис. 2 - Зависимость шероховатости от скорости обработки для стали толщиной 3 и 5 мм:
1 - сталь 3 мм, воздух; 2 - сталь 3 мм, кислород; 3 - сталь 5 мм, воздух; 4 - сталь 5 мм, кислород
I = 130 А, обеспечивающих раскрой на максимальных скоростях, от них следует отказаться [5]. Так, экспериментальные исследования подтвердили неудовлетворительное качество реза (рис. 3) при использовании данной технологической схемы как для углеродистых, так и легированных сталей независимо от того, с какой стороны биметалла производился рез. Плохое качество реза характеризуется значительным гратом на нижней кромке, удалить который возможно лишь при последующей механической обработке. Данный факт можно объяснить тем, что на максимальном токовом режиме формируется значительная (до 3,5 мм) ширина реза, а небольшая толщина пакета не обеспечивает формирования оптимальной схемы строения плазменного столба в канале реза [5], обеспечивающей создание достаточных газодинамических потоков, ответственных за полное удаление продуктов расплава, которые стекают и остаются на нижней кромке реза, свариваясь с основным металлом.
Широкое применение при производстве различных сварных металлоконструкций получила низколегированная сталь марки 09Г2С.
В ранее опубликованных работах [5, 6] проведены комплексные исследования влияния технологических параметров режима плазменно-
дуговой резки на качество проката толщиной 12 мм из низколегированной стали 09Г2С.
Металлографический анализ зоны термического влияния (ЗТВ) образцов, выполненных на режимах: 1) I = 220 А, U = 190 В, V = 6,4 см/с и 2) I = 280 А, U = 190 В, V = 6,4 см/с, показал, что структура ЗТВ претерпела существенные изменения (рис. 4, 5). Структура характеризуется наличием мартенсита в виде глобулярных и строчечных скоплений, при этом твёрдость составляет 325 - 340 НУ, ширина ЗТВ - порядка 500 - 600 мкм, при этом разделения на характерные структурные участки не наблюдается.
На основе проведённых исследований сделаны следующие выводы:
1. Структура металла зоны термического воздействия при различных режимах плазменно-дуговой резки характеризуется наличием мартенсита с твёрдостью 325 - 340 НУ. При этом качественный состав структуры в широких пределах технологических параметров не изменяется.
2. Рост тока с 220 до 280 А при постоянном напряжении ведёт к увеличению ширины реза и, как следствие, оказывает существенное влияние на микрогеометрию поверхности реза вследствие более интенсивного истечения продуктов расплава стали из канала реза. Так, шероховатость
Рис. 3 - Гратообразование на нижней кромке реза композиции «сталь Ст3 + сталь 12Х18Н10Т» при обработке по технологической схеме Hi-FocusF для легированных сталей при раскрое:
А - со стороны стали 12Х18Н10Т; Б - со стороны стали Ст3
Рис. 4 - Структура ЗТВ стали 09Г2С после резки на режиме 1: феррит (светлые участки) и мартенсит (тёмные участки)
Рис. 5 - Структура ЗТВ стали 09Г2С после резки на режиме 2: феррит (светлые участки) и мартенсит (тёмные участки справа)
Яа изменяется от 0,4661 до 2,7811 мкм, а волнистость Яг - от 2,9360 до 13,1519 мкм.
3. Рациональные значения эффективной тепловой мощности для резки проката толщиной 12 мм из стали 09Г2С равны: q = 27,1 - 29,64 кВт.
В связи с особенностями физики процесса плазменной резки на поверхности деталей могут возникать дефекты, не зависящие от выбранных режимов обработки [5]. Например, при обработке изделий типа «прямоугольник» на углах возникают точки с нулевой скоростью при смене направления движения (рис. 6).
Вблизи точки смены направления существуют участки торможения и разгона. Поскольку в отмеченной области время контакта обрабатываемого материала с плазменной дугой увеличивается, это приводит к большему оплавлению поверхности реза и, как следствие, к искажению профиля (появлению дефекта в виде скругления угла). Эти дефекты снижают точность изготавливаемой детали.
В ранее опубликованной работе [6] рассматривается вариант по минимизации данного дефекта, который заключается в использовании в таких случаях так называемых петель (рис. 7).
Результаты исследований по определению радиусов скругления в зависимости от толщины материала без использования «петель» и с их использованием приведены на рисунке 8.
Анализируя зависимость, представленную на рисунке 8, при обработке без использования петель в траектории движения, можно отметить, что радиус скругления на углах увеличивается с ростом толщины материала. Так, для тол-
Начало реза ■ Конец реза
Рис. 7 - Схема резки при использовании петель
Рис. 6 - Смена направления при резке
Рис. 8 - Значение радиуса скругления в
зависимости от толщины материала:
1 - траектория движения без «петель»; 2 ■ траектория движения с «петлями»
щины, равной 4 мм, эта величина составляет 0,87 мм, а для толщины 20 мм - 2,13 мм. Подобная зависимость может быть объяснена следующим образом: с увеличением толщины разрезаемого материала требуется увеличение необходимой плотности мощности. В свою очередь, это приводит к тому, что за одно и то же время происходит проплавление большего объёма материала, что приводит к увеличению скругления кромки реза.
Применение петель не приводит к исчезновению данного дефекта, но позволяет снизить радиус скругления во всём исследуемом диапазоне толщин практически в 2 раза. Так, значение радиуса скругления для толщины 6 мм снизилось с 1,41 мм до 0,8 мм, а для толщины 20 мм - с 2,13 мм до 1,1 мм. Снижение значений радиуса скругления происходит благодаря тому, что смена направления движения за счёт применения петель исключает участки торможения и разгона, благодаря чему уменьшается время контакта сжатой плазменной дуги с одним и тем же участком материала на углу.
Отечественный рынок станков плазменной резки представлен такими производителями, как «КИБЕРСТЕП», «РИТМ», «МИКРОН» и т.п. Но импортное оборудование, хотя и имеет более высокую стоимость, с лёгкостью вытесняет российских производителей как более надёжное, простое в обслуживании и быстроокупаемое. Однако практика применения различных способов резки на предприятиях выявила проблемы, которые крайне негативно отражаются на качестве изготавливаемых деталей. Из известных проблем две обозначены, но решения пока нет: 1) сложность обеспечения прямолинейности реза на большой длине листа при резке на плазмо-резательных автоматах; 2) отклонение резака от заданной траектории при лазерной резке окружностей большого диаметра (рис. 9).
В настоящее время на ряде предприятий чаще необходимо обеспечение точности изготовления крупногабаритных листов с прямолинейными кромками, чем высокоточная вырезка сложных деталей и последующая их обработка. Это связано с тем, что отклонение от прямолинейности кромок листов доставляет серьёзные неудобства при последующей сборке их в более сложные конструкции (сборочные единицы): увеличивается трудоёмкость работ, а соответственно и стоимость изделия.
Поэтому прямолинейную резку следует выделять в отдельную рабочую стадию заготовки деталей. Для повышения качества деталей (в части обеспечения прямолинейности их кромок при плазменной резке) необходимо проводить комплексные исследования как самой плазменной дуги, так и воздействия средне- и высокотемпературной плазмы на металл (с точки зрения влия-
ния на физико-механические свойства, кинетику протекания процессов образования внутренних напряжений и деформаций и т.п.).
На территории Российской Федерации качество деталей оценивается по ГОСТу 14792-80. За рубежом действует стандарт ISO 9013:2017, имеющий более широкий диапазон неровностей кромок заготовок после термической обработки. Поэтому наличие таких отклонений от прямолинейности требует устанавливать допуски на отклонение при сборке и дальнейшую подготовку кромок под сварку, что в свою очередь влечёт за собой необходимость установления допусков на отклонения геометрических размеров сварных швов и т.д.
А
Б
Рис. 9 - Дефекты кромок деталей:
А - серповидность кромок при прямолинейной резке крупногабаритных деталей, вырезанных плазменной резкой; Б - отклонения от заданной траектории при вырезке окружностей большого диаметра лазерной резкой
Качество термической обработки металла является комплексным параметром и может определиться влиянием таких факторов? как: тип и расположение резака (плазмотрона), напряжение и степень обжатия дуги, тип, чистота, давление, состояние и качество расходных материалов, расход плазмообразующего газа, марка, толщина и состояние поверхности разрезаемого материала, размер отверстия сопла, скорость.
Выводы
1. Рассмотрены проблемы повышения качества плазменной резки сталей и основные возникающие дефекты. Описано моделирование процесса плазменной резки металла.
2. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования плазменной резки конструкционной легированной стали 30ХГСА и низколегированной стали 09Г2С. Установлены оптимальные режимы, позволяющие повысить качество плазменной резки исследуемых сталей.
В процессе работы проводились теоретические и экспериментальные исследования влияния параметров плазменной резки на качество поверхности реза стального листового проката. Рассмотрены проблемы повышения качества плазменной резки сталей и основные возникающие дефекты. Описано моделирование процесса плазменной резки металла.
В результате проведённых исследований разработаны рекомендации к программному обеспечению для оптимизации режимов плазменной резки сталей 30ХГСА и 09Г2С с целью соответствия требованиям действующих нормативных документов ISO 9013:2017 «Резка тепловая. Классификация резов, полученных тепловым способом. Геометрические характеристики изделий и допуски на характеристики», ГОСТ 14792-80 «Детали и заготовки, вырезаемые кислородной
и плазменно-дуговой резкой». Результаты исследований используются при проведении занятий в Государственном аграрном университете Северного Зауралья.
Литература
1. Ставицкий А.В. Повышение износостойкости и упрочнение сегментных ножей уборочной техники электродиффузионной обработкой // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 4 (90). С. 121 - 126.
2. Особенности формирования упрочнённого слоя электродиффузионной термообработкой / М.Ф. Ждано-вич, В.Ю. Паульс, А.В. Ставицкий [и др.] // Молодой учёный. - 2015. - № 6-5 (86). - С. 1 - 4.
3. Инновационная технология электродиффузионного упрочнения ножей косилок / В.Ю. Паульс, Н.И. Смолин,
A.В. Ставицкий [и др.] // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 5. С. 40 - 42.
4. Паульс В.Ю., Кусков В.Н., Смолин Н.И. Упрочнение деталей трактора Т-4А из низколегированных сталей электродиффузионной термообработкой // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. № 12. С. 50 - 51.
5. Ставицкий А.В. Упрочнение ножей косилок электродиффузионной термической обработкой //Новые задачи технических наук и пути их решения: сб. ст. Междунар. науч.-практич. конф. Пермь, 2016. С. 139 - 142.
6. Пат. на полезную модель № 148889 Российская Федерация, МПК F27B19/02. Установка для электродиффузионной термообработки полых деталей / Паульс
B.Ю., Жданович М.Ф., Смолин Н.И., Скок М.А., Ставицкий А.В. (РФ); заявл. 10.06.14; опубл. 20.12.14; Бюл. № 35.
Алексей Владимирович Ставицкий, старший преподаватель. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, stavickiiav@gausz.ru
Вячеслав Юрьевич Паульс, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, paulsvy@gausz.ru
Alexey V. Stavitsky, senior lecturer. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, stavickiiav@gausz.ru
Vyacheslav Yu. Pauls, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State
Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, paulsvy@gausz.ru
-♦-
Научная статья УДК 636.085.5
Технология приготовления экспандированных кормов для сельскохозяйственных животных
Игорь Евгеньевич Припоров
Кубанский государственный аграрный университет
Аннотация. Цель исследования - проанализировать технологические линии для экспандирования кормов, что позволит повысить их качество. В современных условиях экономически целесообразно производство комбикормов максимально приближать к потребителю. При этом должны использоваться малоэнергоёмкие технические средства, местное сырьё и все технологические приёмы, способствующие высокопродуктивному действию производимых комбикормов. Один из наиболее эффективных способов термомеханической обработки кормов для повышения их питательной ценности - экспандирование. Основные преимущества экспандеров - меньшая энергоёмкость, более долгий срок службы рабочих органов, высокий уровень ввода жидких компонентов, улучшенные качество и усваиваемость кормов, устранение вредных для питания компонентов. Анализ технологий приготовления экспандированного корма показал, что большинство заводов не имеют экспандеров, что не позволяет получать белковые корма, а именно жмых из семян масличных культур. Экспандеры позволяют получать корма в рассыпном, гранулированном
