CC BY
54
УДК 69.059.25:621.791.927.5
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ТОЛЩИН НАПЛАВКИ МЕТАЛЛА ПРИ РЕМОНТНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТАХ ВАГОННЫХ БАЛОК
Б.Н. Хватов
Кафедра «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты», ТГТУ
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: балка вагонная опорная; механическая обработка; наплавка; расчетный и штатный припуски; ремонтные работы.
Аннотация: Приведены результаты экспериментальных исследований макрогеометрии, твердости и структуры наплавляемых слоев металла и зоны его сплавления с основным материалом при проведении ремонтно-восстановительных работ изношенных поверхностей балок вагонных соединительных. На основании полученных данных расчетно-аналитическим путем определены необходимые и достаточные значения припусков на механическую обработку восстанавливаемых наплавкой поверхностей, обосновано достаточное количество наплавляемых слоев, позволяющее, по сравнению с завышенными их значениями по штатной технологии восстановительных работ, значительно сэкономить трудовые, энергетические и материальные ресурсы на вагоно-ремонтных заводах.
Опорные поверхности балок вагонных соединительных (пятники и подпятники) в условиях ударно-контактного взаимодействия, сухого трения и абразивного воздействия воздушного потока при движении состава подвергаются значительному износу [1].
Восстановление изношенных поверхностей пятников и подпятников осуществляется наплавкой на них слоев металла обычно методами ручной электродуго-вой сварки проволокой, близкой по свойствам и химическому составу к основному материалу. Схему восстановления изношенных поверхностей наплавкой на Ьн примере подпятника опорной
шщ
ІІЦ
балки можно рассмотреть по рис. 1, на котором линия 1 представляет номинальный контур
рабочей поверхности детали, линия 2 - контур изношенной
поверхности и линия 3 - контур наплавленной поверхности.
Рис. 1. Схема восстановления наплавкой изношенных поверхностей подпятника
Как видно из рис. 1, общий слой наплавляемого металла можно условно разделить на два
слоя. Первый слой наносится с целью полного заплавления изношенных участков поверхностей глубиной ки до восстановления в первом приближении исходной формы и размеров рабочей поверхности пятника и подпятника (линия 1). Глубина этого слоя зависит от степени износа рабочих поверхностей и по техническим условиям на эксплуатацию балки не должна превышать 10 мм (для исследуемых балок величина износа ки составляла 6 мм).
Второй слой наплавки кн (линия 3) наносится для создания необходимого припуска на механическую обработку наплавленных поверхностей с целью гарантированного обеспечения после нее размеров, формы и качества рабочих поверхностей пятников и подпятников, соответствующих техническим условиям на ремонт изделия.
Толщина наплавки слоя кн на данный момент не регламентирована и устанавливается опытным путем, исходя из сложившейся на предприятии практики проведения наплавочных работ, квалификации рабочего, способов последующей механической обработки и, как правило, имеет завышенные значения, что приводит к экономически неоправданному увеличению трудоемкости и энергоемкости (особенно наплавочных) работ. В то же время заниженные значения слоя кн увеличивают вероятность появления брака при последующей механической обработке в виде недообработанных участков поверхности (чернот), наличия пор, неметаллических включений и т.д.
Целью работы является установление технически обоснованной толщины наплавляемых слоев металла, составляющей припуск под последующую механическую обработку кн, на основе проведения расчетно-экспериментальных исследований качества металлопокрытия наплавляемых слоев ремонтных работ на примере опыта штатных балок на Тамбовском вагоноремонтном заводе (ТВРЗ).
В основу расчетов при обосновании оптимальной толщины наплавляемого металла кн был положен известный из научных основ технологии машиностроения расчетно-аналитический метод определения минимального гтт и максимального гтах припусков на механическую обработку заготовок, согласно которому толщина наплавляемых слоев металла под механическую обработку должна удовлетворять условию [2]
гтт < кн < гтах .
Расчетные формулы для определения значения хт^п и хтах применительно к нашему случаю (однократная обработка) имеют вид [2]:
при односторонней обработке (опорные плоскости) -
2тт = Нг-1 + Т-1 + рг-1 + Хуг;
при двусторонней обработке (поверхности вращения) -
2 2тш = 2 (Нг-1 + Тг-1 + рг-1 + Ху ).
Во всех случаях
гтах _ гтт + ^г-1 - ,
где Нг-1 — высота микронеровностей (макронеровностей) исходной поверхности (наплавки); Т-1— глубина дефектного слоя металла (непровары, микропоры и др.); рг-1 — пространственная кривизна исходной поверхности; Ху — компенсация погрешности установки заготовки при обработке; 8г — допуск на размер обработанной поверхности; 5г-1 — допуск на размер исходной поверхности (наплавки).
Т аким образом, в задачу исследований входило экспериментально-расчетное определение составляющих припуска Н-, Т-1, Рг-1, Хуг и обоснование на базе
этих знаний расчетного значения оптимальной толщины наплавляемых слоев металла кн под механическую обработку восстанавливаемых поверхностей пятников и подпятников опорной балки.
Для определения составляющих припусков гт;п и ^тах проведены исследования макропрофиля наплавленных поверхностей (параметры Нг-1 и рг-1) микроструктуры и физико-механических свойств наплавленного металла (параметр Т-1), исследованы схемы базирования и закрепления балки при механической обработке пятников и подпятников после наплавки (параметр Хуг).
Исследования качества металлопокрытия наплавленных слоев осуществляли на образцах-темплетах (рис. 2), вырезанных из опытных плит и изготовленных из материала штатных балок, после одно-, двух- и трехслойной наплавки на них металла, выполненной ручной электродуговой сваркой электродом марки
Э50А-УОНИ-13/55 из малоуглеродистой проволоки СВ08 или СВ08А, применяемой при ремонтно-восстановительных работах штатных балок на ТВРЗ.
Технология подготовки и вырезки образцов были приведены в ранее опубликованной работе [1]. Для получения четкой картины макропрофиля наплавленного металла вдоль и поперек нанесения сварочных валиков боковые поверхности образцов после вырезки подвергались тонкому шлифованию и полировке.
Исследование макропрофиля наплавленных поверхностей изучали методом профилометрирования его рельефа на инструментальном микроскопе УИМ-21 при пятикратном увеличении. Для этого на каждую из боковых поверхностей наносили базовую линию с последующим измерением от нее высоты выступов и впадин профиля, а так же их линейной координаты от условно принятого нуля измерений. Высоту макронеровностей определяли как разницу показаний между соседствующими вершинами выступов и впадин профиля с точностью до 0,01 мм.
По результатам измерений строили профилограммы макропрофилей наплавленных поверхностей вдоль наплавочного шва и в сечении, перпендикулярном к нему. На рис. 3 приведены такие профилограммы для темплетов с одно-, двух- и трехслойной наплавкой.
Рис. 2. Образцы-темплеты для исследования макропрофиля, макро- и микроструктуры наплавленного металла в сечениях поперек (1) и вдоль (2) валиков наплавки
Результаты обработки профилограмм позволяют заключить следующее. Высота макронеровностей наплавленных поверхностей имеет тенденцию к увеличению своих значений с увеличением числа наплавляемых слоев. Так, для образцов с однослойной наплавкой максимальное значение высоты макронеровностей в поперечном направлении составило НтаХ1 =
= 0,93 мм, в продольном направлении НтаХ2 = 0,52 мм; при двухслойной наплавке эти значения изменились до 0,54 и 1,32 мм и при трехслойной наплавке до 1,12 и 2,69 мм (как наиболее худший случай, кривая 2'), соответственно. Очевидно, это может быть объяснено тем, что при ручных методах с увеличением числа слоев наплавки возрастает вероятность наложения валиков друг на друга, что приводит к увеличению глубины разделяющих их впадин. Это хорошо видно из приведенных на рис. 3 профилограмм.
Высота макронеровностей профиля в направлении нанесения валиков всегда больше, чем в поперечных сечениях. При этом с увеличением числа наплавляемых слоев наблюдается тенденция к большему возрастанию макронеровностей в продольном направлении, чем в поперечном. Так, для образцов с переходом от одно- к трехслойной наплавке наблюдается увеличение высоты макронеровностей в продольном направлении с 0,52 до 2,69 мм, тогда как увеличение макронеровностей, измеренных в поперечном направлении произошло с 0,93 до 1,12 мм. Это указывает на наличие гораздо большего влияния нестабильности выдерживания параметров межэлектродного зазора при перемещении электрода от руки на качество наплавляемых поверхностей в продольном направлении, чем в поперечном. Это влияние усугубляется еще больше при наличии на исходной поверхности неровностей, например, в виде валиков от предшествующих слоев наплавки.
Очевидно, что величина припуска при механической обработке наплавленных поверхностей должна гарантировать, в первую очередь, удаление верхних слоев металла, содержащих макронеровности после наплавки, как наиболее грубых дефектов поверхности. При этом имеет место отклонение реального (наплавленного) профиля от номинального сразу в двух сечениях - в поперечном по отношению к направлению нанесения сварочных валиков и в продольном их направлении.
Учитывая векторный характер влияния составляющих на общий припуск в формулах гт;п , допустим, что при ручных способах наплавки ввиду недостаточно высокого их качества имеет место самый наихудший случай взаимного влияния высотных параметров Н^ и Н2 на общий припуск, то есть алгебраическое суммирование по абсолютной величине их максимальных значений НтаХ1 и
2 /Ч*
1 у L
\ А \М *Л
11 у Л 2 / дГ \ л VU'.\
_ \ А ^ ! \у
\\ j I V'1
7 f ■
а)
в) /,, мм
Рис. 3. Профилограммы наплавленных поверхностей после трех (а), двух (б) и одного (в) слоев наплавки в направлении поперек (1) и вдоль (2) валиков
НтаХ2 как равнонаправленных векторов. Допустим также, что максимальное значение НтаХ1 в поперечном сечении можно рассматривать в расчетных формулах как параметр исходной шероховатости поверхности Нг-1, а значение НтаХ2 в продольном направлении - как суммарное пространственное отклонение рг-1.
Таким образом, в расчетных формулах 2т;п можно принять значения
Нг_1 = Нтах1 = I,32 мм ; рг-1 = Нтах2 = 2,69 мм .
Для изучения глубины дефектного слоя восстанавливаемой поверхности после наплавки были проведены исследования макро- и микроструктуры наплавленного металла, а также его физико-механических свойств в виде изменений твердости по сравнению с металлом основы изделия. Для этого одна из поверхностей темплета после трехслойной наплавки (общая высота наплавленного металла составляет 10 мм) была подготовлена под микрошлиф с подтравкой поверхности в 3 %-ом растворе азотной кислоты.
Исследование макроструктуры осуществляли на металлографическом микроскопе МБС-9 при пятидесятикратном увеличении с целью оценки степени сплошности наплавленного металла по всей его глубине (до 10 мм). Результаты визуальных исследований показали, что наплавленный металл по всей глубине имеет плотную структуру без каких-либо дефектов в виде пористостей, включений, трещин, непроваров и т.д., включая и слои, непосредственно примыкающие к наружной поверхности.
Исследование микроструктуры осуществляли на микроскопе МР-2Р при пятисоткратном увеличении с целью оценки структуры наплавленного металла и зоны его сплавления с основным металлом. Результаты визуальных исследований и обработка данных по фотоснимкам показали, что микроструктура наплавленного металла состоит из трех характерных зон.
Первая зона отражает состояние металла, прилегающего непосредственно к наружной поверхности наплавок, в которой не просматривается четко его зернистая структура. Глубина этого слоя составляет 100... 180 мкм. Отсутствие зерен-ной структуры в этих тонких пограничных слоях, очевидно, можно объяснить резким перепадом температур охлаждения наплавляемого металла и окружающей среды.
Вторая зона характеризует послойное состояние металла при наплавке. Структура металла в ней представляет равнонаправленную зеренную структуру столбчатого типа с размерами в продольном 300.500 мкм и в поперечном 80.100 мкм направлениях. Равнонаправленная столбчатая структура чередуется с равноосной структурой по глубине наплавки с размерами зерен 50.70 мкм.
Третья зона характеризует переходную зону металла наплавки в металл основы детали и представляет собой в общем равновесную структуру с взаимным проникновением зерен наплавляемого металла от электрода в основной металл и расплавленного металла детали в наплавляемый слой.
Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что качество металлопокрытия, наплавляемого при восстановлении изношенных поверхностей пятников и подпятников на ТВРЗ, достаточно высокое. Структура наплавленного металла достаточно однородна по глубине, имеет плавный переход в зоне сплавления с основным металлом, в нем отсутствуют какие-либо дефекты в виде пор, включений, трещин и т. д. В граничащих непосредственно с наружной по-
Исследования выполнены на кафедре «Материалы и технология» ТГТУ, научный консультант канд. техн. наук, доцент В.П. Шелохвостов.
верхностью слоях также не обнаружены какие-то несплошности и включения, характеризующие этот слой как дефектный. Это дает основание принять в расчетных формулах припуска гш;п значения глубины дефектного слоя равным нулю,
то есть Т-1 = 0 .
На рис. 4 графически представлена обработка результатов измерения твердости металлопокрытия по глубине наплавочного металла для образцов с одно-, двух- и трехслойной наплавкой, выполненных ранее в работе [1]. Измерения твердости осуществляли на приборе ТП-2 с нагрузкой на пирамиду 1000 Н с оценкой твердости по школе Виккерса.
Как видно из приведенных данных, наибольшее значение твердости металлопокрытия, выполняемое электродами Э50А-УОНИ-13/55 со сварочным стрежнем из малоуглеродистой проволоки СВ08 или СВ08А, применяемых на ТВРЗ при ремонтно-восстановительных работах штатных изделий составляет 140...150ИУ и всего лишь на 12...20 % превышает твердость основного металла ИУисх = 125 . При этом с увеличением слоев наплавки просматривается тенденция к увеличению твердости поверхностных слоев металлопокрытия (см. рис. 4). Невысокая твердость наплавленного металла ~ 140...150ИУ позволяет назначать его дальнейшую обработку методами лезвийной обработки: точением, фрезерованием, характеризующимися высокой производительностью и экономичностью.
Определение последней составляющей - погрешности установки Ху, в формулах расчетного припуска гш;п связано с расчетом погрешности базирования Хб, погрешности положения смещения заготовки от сил закрепления Хз и погрешности изготовления самого установочного приспособления Хпр [2].
Расчет этих составляющих связан с точным знанием метода и схемы обработки, схемы базирования и закрепления заготовки на станке, вида исполнительных приводов зажимных механизмов заготовки в приспособлении и др. На этапе поисковых исследований этих знаний недостает и поэтому можно допустить, что для таких недостаточно технологичных изделий как балка опорная, обработка их будет осуществляться каждый раз с выверкой положения обрабатываемых поверхностей относительно траектории перемещения режущего инструмента. В этом случае погрешность установки заготовки сводится к определению погрешности ее положения (смещения) от сил закрепления Хз , величина которой не должна превышать значений допуска на размер обрабатываемых поверхностей [2]. Таким образом, для определения погрешности установки применительно к нашему случаю справедливо соотношение
Ху, ,
где 5Ш- - допуск на обрабатываемый размер балки.
Анализ обрабатываемых поверхностей пятников и подпятников рассматри-
НУ
„ у %
ш
а)
НУн
б)
V- N.
] к
т.
11, мм
Рис. 4. Распределение твердости по глубине наплавленного металла после одного (а), двух (б) и трех (в) слоев наплавки
ваемой серии балок показывает, что значения допусков на их размеры находятся в пределах 14 квалитета точности и изменяются в диапазоне 0,87.2,0 мм [1]. Из запаса гарантий в расчетах можно принять значение погрешности установки Xyi,
равной наибольшему из допусков на размер, то есть Xyi = 2,0 мм.
Тогда величина минимального расчетного припуска zm;n будет одинаковой для всех обрабатываемых поверхностей и согласно приведенным формулам составит:
для плоских поверхностей
zmin = 1,3 + 0 + 2,7 + 2,0 = 6,0 мм;
для поверхностей вращения
2zmin = 2 • 6,0 мм.
Максимальное значение припуска zmax ограничивается своим допуском на размер, то есть
z = z + d _d
^max ^min ~ KJai_\ uai>
где dai_i - исходный допуск на обрабатываемый размер (в нашем случае наплавочной поверхности), и его наибольшее значение составляет dai_i = 5,0 мм.
Тогда, согласно приведенной формуле, максимальное значение припуска составит
zmax = 6 + 5 _ 2 = 9 мм.
max
Таким образом, рекомендуемая толщина наплавок для восстановительных работ балок вагонных должна находиться в пределах 6.9 мм, вместо 10. 15 мм назначаемых по заводской технологии ТВРЗ и осуществляться по способу двух-, трехслойной наплавки, вместо трех-, пятислойной наплавки применяемой на заводе. Это позволит при наличии гарантии качественной обработки восстанавливаемых поверхностей значительно снизить трудоемкость и энергоемкость наплавочных работ, а также себестоимость последующей механической обработки.
Список литературы
1. Фидаров, В.Х. Анализ и выбор методов ремонта и механической обработки соединительной балки / В.Х. Фидаров, В.И. Муратов, А.Н. Преображенский, М.Г. Сыровец // Техника машиностроения. - 2002. - № 4(38). - С. 39-41.
2. Кован, В.М. Расчет припусков на обработку в машиностроении / В.М. Кован. - М. : Машгиз, 1953. - 230 с.
Calculated-Experimental Grounding of Rational Thickness of Hard-Faced Metal Layers in the Course of Carriage Beams Recovery
B.N. Khvatov
Department “Technology of Machine Building,
Metal-Cut Machines and Instruments ”, TSTU
Key words and phrases: calculated and standard allowance; carriage-supporting beam; hard facing; mechanical processing.
Abstract: The results of experimental research into macrogeometry, hardness and structure of hard-faced metal layers and the area of their fusion with the main metal in the course of repair work of worn-out beam surfaces of carriage connectors are given. On the basis of produced data using analytical calculations the required and sufficient values of allowance for mechanical processing of recovered surfaces through hard facing are identified; the sufficient number of hard-faced layers is grounded, thus enabling to save labor, energy and material resources at carriage repair works compared to oversized values of standard allowance.
Berechnungsexperimentale Begrtindung der rationalen Dicken des Metallauftragens bei den Reparaturwiederaufbauarbeiten der Wagenballe
Zusammenfassung: Es sind die Ergebnisse die experimentale Forschung der Makrogeometrie, der Festigkeit und der Struktur der Auftragenschichten des Metalls und der Zone seiner Verschmelzung mit dem Hauptstoff bei der Durchfuhrung der Reparaturwiederaufbauarbeiten der abgenutzten Oberflachen der Wagenballe angefuhrt. Aufgrund der erhaltenen Angaben sind vom berechnungsanalytischen Weg die notwendigen und ausreichenden Bedeutungen der Zugaben auf die mechanische Bearbeitung der mit dem Auftragen wiederhergestellten Oberflachen bestimmt. Es ist die ausreichende Menge der Auftargenschichten begrundet. Das erlaubt im Vergleich zu ihren uberhohten Bedeutungen nach der Plantechnologie der Wiederaufbauarbeiten die werktatigen, energetischen und materiellen Ressourcen in den Wagensausbes-serungsbetrieben bedeutend einzusparen.
Fondation de calcul et d’experiment des epaisseurs rationnelles du rechargement du metal lors des travaux de reparation et de construction des poutres de wagon
Resume: Sont cites les resultats d’etudes experimentales de la macrogeometrie, de la rigidite et de la structure des couches rechargees du metal et de la zone de sa fusion avec le metal essentiel lors des travaux de reparation et de reconstruction des surfaces usees des poutres des liaisons des wagons. A la base des donnees regues par la voie des calculs et des etudes analytiques sont definies les valeurs necessaires et suffisantes des surepaisseurs pour un traitement mequanique des surfaces regenerees par le rechargement; est justifiee la quantite suffisante des couches rechargees permettant d’economiser considerablement les ressources de production, d’energie et du personnel ainsi que les ressources materielles aux usines de reparation des wagons.
