CC BY
17
В1 СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2003р. УДК 621.791.75
Вип.№13
Псарёва И.С.1, Чигарёв В.В.2, Иванов В.П.3
ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НАПЛАВКИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С РЕГЛАМЕНТИРОВАННЫМ
РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ СВОЙСТВ
Показано, что для формирования дуговой наплавкой швов регламентированной формы необходимо применение специализированного оборудования. Разработано автоматизированное оборудование для реализации таких технологических процессов, обеспечивающее высокую точность траектории перемещения электрода, надежность и простоту в обслуживании.
Рост единичных мощностей и размеров металлургического оборудования, повышение его быстродействия и производительности сопровождаются ужесточением условий работы отдельных узлов, деталей машин и инструмента. К таким элементам, работающим в условиях высоких статических и динамических нагрузок, градиентов температур, агрессивной среды, подвергающихся многим видам износа, относятся детали запорной арматуры металлургических агрегатов, прокатные валки, ролики, транспортирующие горячий металл, и др. Учитывая высокую стоимость производства и ремонта, различные, а порой и альтернативные требования к отдельным их элементам, (для прокатных валков, роликов рольгангов, формующих роликов машин непрерывного литья заготовок - к шейкам, бочке, к различным участкам её рабочей поверхности, трефам; для элементов запорной арматуры - к контактному поясу, остальной поверхности, элементам крепления) для увеличения срока их службы и обеспечения высоких эксплуатационных характеристик рабочие поверхности изнашивающихся элементов подвергают упрочнению наплавкой [1 - 2]. Повышение эксплуатационных характеристик наплавляемого рабочего слоя обычно достигается выбором и оптимизацией химического состава электродных материалов с предварительной и (или) последующей, в случае необходимости, термической обработкой [3 - 4]. Возможности повышения качества наплавленного металла при таком подходе в настоящее время практически исчерпаны. При этом в процессе эксплуатации упрочнённых изделий их поверхность, подвергаясь различного рода воздействиям (термическим, механическим и др.), изнашивается, разрушается. На характер износа и разрушения упрочнённой поверхности сказываются особенности, характерные для дуговой наплавки последовательным наложением отдельных валиков с их перекрытием [5 - 7]. К основным из этих недостатков следует отнести высокую неоднородность свойств наплавленного металла, способствующую неравномерности его износа, преимущественному образованию ориентированных в одном направлении трещин разгара и других дефектов на поверхности изделия. Это приводит к ухудшению качества выпускаемой продукции, снижению срока службы, как упрочненных деталей, так и всего агрегата в целом. В этой связи работы в данном направлении являются актуальными.
Совершенствование процесса наплавки деталей металлургического оборудования осуществляется разными путями: разработка и использование оптимально легированных электродных и присадочных материалов [3 - 4], модернизация оборудования [8], а также применение новых технологических приемов, повышающих эксплуатационные характеристики
' ПГТУ, аспирант
2 ПГТУ, д-р техн. наук, профессор
3 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
наплавленного слоя. Возможности первых двух направлений ограничены. В этих условиях перспективно применение технологий наплавки, ориентированных на создание в наплавленном слое разно ориентированных макроучастков с регламентированным распределением свойств, сформированных за счет управления в процессе наплавки траекторией перемещения электрода относительно упрочняемой поверхности.
Одним из путей реализации этой задачи при дуговой наплавке является формирование рабочего слоя швами требуемой формы [9 - 11]. Для осуществления такого процесса наплавочное оборудование должно обеспечивать управляемую траекторию перемещения электрода относительно вектора скорости наплавки.
Использование серийно выпускаемого оборудования (например, подвесных головок АД-231) для наплавки швов сложной конфигурации сопряжено с трудностями из-за их ограниченных технологических возможностей и низкой работоспособности, особенно в условиях повышенных температур и запыленности, отсутствием возможности синхронизации процесса колебаний электрода с перемещениями наплавочного аппарата и изделия. В этих условиях для обеспечения формирования швов требуемой формы необходима разработка оборудования для осуществления колебаний электрода по требуемому закону с учетом привязки координат элементов шва к наплавляемой поверхности.
Проблема привязки координат участков криволинейного шва к наплавляемой поверхности относительно просто решается применением современного электронного оборудования и датчиков положения наплавляемого изделия, торца электрода, а также наплавочного аппарата относительно этого изделия и в настоящее время реализована авторами.
Задачей исследования являлось проектирование и опытно-промышленная проверка различных вариантов навесного оборудования, обеспечивающего формирование трещиностойкого наплавленного слоя швами регламентированной формы за счет управления траекторией перемещения электрода.
Управлением векторами скоростей, коллинеарных с векторами перемещения электрода и изделия, теоретически возможно обеспечить любую пространственную траекторию шва (с учетом формы поверхности изделия). Однако при практической реализации поставленной задачи возникает ряд проблем, которые ограничивают эти возможности.
В результате ранее проведенных исследований [8-11] определены оптимальные траектории формирования наплавленных валиков, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства упрочненных поверхностей (Рис.1), из которого видно, что для обеспечения точной траектории перемещения торца электрода в процессе наплавки необходимо изменять как скорость его поперечных колебаний, так и направление перемещения.
а)
б)
в)
Рис. 1 - Траектории перемещения электрода при дуговой наплавке
Поскольку подавляющее большинство восстанавливаемых наплавкой деталей прокатного, металлургического и др. оборудования обладает значительными массой и, соответственно, инерцией, изменение вектора скорости наплавки, как по модулю, так и по направлению целесообразно осуществлять за счет вектора скорости перемещения электрода.
Таким образом, главной задачей является точное и безынерционное преобразование вращательного движения вала электродвигателя в линейное перемещение электрода по
заданному закону, что особенно сложно в местах резкого изменения траектории и направления перемещения. Это налагает жесткие требования к механизму перемещения электрода.
Любые изменения скорости вращения электрического двигателя привода колебаний электрода, а тем более резкие динамические торможения и реверс его приводят к значительному росту потребляемого тока, что, в свою очередь, способствует перегреву двигателя и выходу его из строя. В этой связи при относительно медленных изменениях скорости в электрической схеме привода можно предусмотреть меры по ограничению потребляемого двигателем тока на максимально допустимом уровне. Сложнее решить задачу быстрого изменения скорости и направления движения электрода. Для ее решения можно использовать кинематические схемы привода, преобразующие вращательное движение ведущего вала в колебательные - рабочего органа, например, введением в конструкцию редуктора двух промежуточных валов, вращающихся в противоположные стороны и вводимых в поочередное зацепление с выходным валом с помощью электромагнитных муфт, или использованием кривошипно-шатунного механизма.
Для решения этой задачи разработаны навесные блоки для осуществления колебательных перемещений электрода. Кинематические схемы разработанных приводов приведены на рис.2. Привод с использованием зубчатой рейки, представленный на рис.2,а, является наиболее простым в исполнении и настройке, позволяет формировать траекторию с резкими перегибами валиков для создания наплавляемого слоя повышенной трещиностойкости [12]. Применение данного механизма позволяет в широких пределах управлять характером колебаний электрода (рис. 1а,б,в). Недостатком данного варианта конструкции является открытое исполнение зубчатой передачи, что приводит к быстрому накоплению загрязнения в соединении и сбоям в работе.
Исполнение блока в виде кривошипно-шатунного механизма (КШМ) позволяет применять защитный кожух, что повышает надежность устройства (рис.2,6). Реверсирование перемещения рабочего органа в нем можно производить изменением направления вращения двигателя или с помощью магнитных муфт, использование которых дает возможность осуществить практически мгновенное реверсирование без остановки и смены вращения двигателя. При наплавке швов этим механизмом их форма искажается (рис.1 г).
Рис. 2 - Кинематические схемы блоков управления перемещением электрода: 1 - электродвигатель: 2 - редуктор: 3 - выходной вал редуктора; 4 - зубчатая рейка; 5 -исполнительный орган; 6 - кривошипно-шатунный механизм.
Блок управления перемещением электрода (рис.2.в) за счет кривошипно-шатунного механизма напрямую преобразует вращательное движение электродвигателя в колебательные -движения торца электрода. Недостатком устройства является изменение скорости поперечного перемещения электрода в пределах цикла колебания, а также искажение траектории колебания (рис.1 г), что отрицательно сказывается на качестве наплавляемой поверхности.
а)
б)
в)
Спроектированные блоки изготовлены в условиях Приазовского государственного технического университета и прошли промышленные испытания при наплавке крупных прокатных ват ко в, роликов, запорной арматуры засыпных аппаратов доменных печей в условиях ММК им. Ильича, г. Мариуполь и Днепропетровского завода металлургического оборудования (рис.3). Внешний вид наплавленной поверхности приведен на рис.4.
Рис.3 - Внешним вил приводов колебания электрода
Эксплуатация наплавленных изделий показала перспективность применения
предлагаемых авторами технологических процессов и оборудования для повышения служебных характеристик металлургического оборудования и целесообразность расширения области применения в других отраслях промышленности.
Предложенное научное направление в области формирования наплавкой швов с регламентированным распределением свойств позволяет наметить целый ряд перспективных путей его развития в направлении увеличения градиентов изменения свойств участков шва переменного химического состава, сокращения их размеров, оптимизации формы наплавляемых валиков, обеспечения возможности формирования на наплавляемой поверхности рельефа и др.
Выводы
1. Предложенный авторами способ наплавки рабочих поверхностей швами регламентированной формы позволяет существенно повысить служебные характеристики деталей и инструмента, работающего в условиях высоких температур, циклических их изменений, интенсивного газоабразивного и других видов износа.
2. Разработано оборудование, позволяющее формировать в процессе дуговой наплавки швы сложной формы, обладающие высокими технологическими характеристиками, малой стоимостью, простотой обслуживания и эксплуатации.
Перечень ссылок
1. Фру мин И. И. Технология механизированной наплавки / Фрумин И.И., Юзвенко Ю.А., Лейначук Е.И. - М.: Высшая школа, 1965. - 306 с.
2. Хасуи АНаплавка и напыление / Хасуи А, Моригаки : Пер. с японского. - М.: Машиностроение, 1986. - 240 с.
3. Лившиц Л.С.Основы легирования наплавленного металла / Лившиц Л.С., Гринберг H.A., Куркумелли Э.Г . - М.: Машиностроение, 1969. - 188 с.
4. Износостойкость и структура твердых наплавок / М.М.Хрущов, М.АБабичев, Е.СБеркович и др. — М.: Машиностроение, 1971. - 95 с.
5. Химическая неоднородность металла, наплавленного открытой дугой порошковой лентой / ЮА.Юзвенко, Б.Н.Горпенюк, В.П.Шимановский, В.Л.Корбут II Теоретические и технологические основы наплавки. Новые процессы механизированной наплавки. - К.: ИЭС им. Е.О.Патона. - 1977. - С. 21-29.
6. Избирательный износ наплавленного заэвтектического хромистого сплава / В.В.Тарасов, П.Ф.Лаврик, В.Х.Мацука, И.И.Пирч II Сварочное производство. - 1976. - №9. - С.28-29.
7. Влияние неоднородности свойств наплавленного металла на характер износа валков листопрокатных станов / С.В.Гулаков, Б.И.Носовский, К.К.Степнов, О.И.Новохацкая // Автоматическая сварка. - 1985- №7,- С. 52-55.
8. Гулаков СВ. Программное устройство для наплавки слоя металла с переменным химическим составом / Гулаков СВ., Носовский Б.И. II Автоматическая сварка. - 1985,— №2.-С. 55-57.
9. Гулаков СВ. Управление траекторией перемещения электрода при дуговой наплавке прокатных валков / Гулаков СВ., Иванов В.П., Псарёва И.С. II Удосконалення процеЫв та обладнання обробки тиском в металургп 1 машинобудуванш. Науков1 пращ ДЦМА— Краматорськ, 2000,- С. 322-324.
10. Псарёва И.С Совершенствование технологии наплавки конусов и чаш засыпных аппаратов доменных печей / Псарёва И.С, Иванов В.П. II Вюник Приазов. держ. тех. унту: 36. наук, пр.- Мар1уполь, 2000,- Вип.Ю,- С. 213-216.
11. Домбровскш Ф.С. Работоспособность наплавленных роликов машин непрерывного литья заготовок / Домбровский Ф.С, Лещинский Л.К. . - Киев: ИЭС им. Е.О.Патона HAH Украины.-1995,- 198 с.
12. A.c. 1403498 СССР МКИ В23К 9/12 Устройство управления процессом наплавки зигзагообразного шва / С.В.Гулаков, Б.И.Носовский.
Статья поступила 15.04.2003
