Технико-экономическое обоснование технологического процесса восстановления резьбовой поверхности детали "Фланец"
2.3.1 Проектирование операций наращивания изношенных поверхностных слоев детали
Для восстановления деталей подвижного состава применяется механизированная наплавка в углекислом газе СО2. Этим способом восстанавливают детали небольших размеров и диаметров, работающие при ударных и знакопеременных нагрузках. Качественно наплавляются детали, изготовленные из сталей Ст3, Ст4, 30, 40, 40Х, 45 и других марок, а также из серого чугуна.
Основными достоинствами механизированной наплавки являются:
высокое качество наплавленного металла;
высокая производительность труда;
низкий расход наплавочных материалов и электроэнергии;
возможность наплавки деталей сложной формы в любом пространственном положении;
возможность наблюдения за формированием наплавляемого слоя;
высокая стабильность процесса;
улучшение условий труда.
На форму и размеры наплавленных валиков значительное влияние оказывает большое количество факторов. Основные параметры процесса наплавки в углекислом газе целесообразно определять в соответствии с порядком, приведенном на рис.1.
Для механизированной наплавки в СО2 применяется сварочная проволока (ГОСТ 2246-70) марок Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС, Св-18ХГС, Св-12Х13 и др., наплавочная (ГОСТ 10543-82) - Нп-30ХГСА, Нп-50ХФА и др., а также порошковая.
Для получения наплавленного металла с высокой ударной вязкостью рекомендуется применять проволоку Св-08Г2С, при этом твердость поверхности достигает НВ220 - 250. Для повышения твердости наплавленный слой после механической обработки подвергают цементации и термической обработке. При наплавке сталей 40, 45Х часто используют проволоку Св-18ХГС, которая обеспечивает твердость наплавляемого слоя НВ230 - 280, и Нп-30ХГСА - твердость до НВ245 - 290.
Применение проволоки аустенитного класса позволяет получать наплавленные слои, отличающиеся высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью.
Толщина наплавленного слоя определяется с учетом износа и припуска на последующую механическую обработку по формуле:
дн = диз + д0, (1)
дн =0,3+1=1,3, мм.
где диз - износ, мм;
д0 - припуск на механическую обработку, мм.
При механизированной наплавке в СО2, тщательном выполнении процесса и удовлетворительном формировании валика припуск на механическую обработку принимается равным 0,6 - 1,2 мм на сторону.
Диаметр электродной проволоки зависит от формы, размера наплавляемых деталей и толщины слоя, который необходимо наплавить (табл.1).
При использовании проволоки марок Св-08ГС, Св-08Г2С диаметром до 1,2 мм наплавленный металл на углеродистых сталях общего назначения имеет высокие механические свойства, такие же, как и при использовании электродов Э50А, Э55, и содержит наибольшее количество пор и шлаковых включений. При использовании проволоки диаметром 1,6 - 3,0 мм несколько снижается ударная вязкость наплавленного металла, это объясняется более высокой интенсивностью металлургических реакций, приводящих к большим количествам и размерам неметаллических включений, более грубой структуре валика, а в ряде случаев - к большому содержанию водорода и азота в наплавленном металле.
Таблица 1
Соотношение между диаметром электрода и диаметром детали при наплавке в СО2
Диаметр детали (толщина стенки), мм |
10 - 40 |
40 - 50 |
50 - 70 |
70 - 90 |
90 - 120 |
|
Диаметр электрода, мм |
0,8 - 1,0 |
1,0 - 1,2 |
1,2 - 1,4 |
1,4 - 1,6 |
1,6 - 2,0 |
При наплавке тонкой проволокой удается за один проход получить наплавленный слой толщиной 0,8 - 1,5 мм, толстой - до 1,0 - 2,5 мм. Изменение пространственного положения восстанавливаемой поверхности в процессе наплавки оказывает заметное влияние на режим. Так, при наплавке в потолочном положении устойчивое горение дуги и удовлетворительное формирование наплавленного слоя возможны при использовании электрода диаметром не более 1,6 мм.
Значение тока наплавки рассчитывается по эмпирической формуле:
, (2)
, А
где j - плотность тока, А/мм2;
dэл - диаметр электрода, мм.
Плотность тока находится в пределах 80 - 200 А/мм2. Большие значения плотности тока соответствуют меньшим диаметрам электродов.
Для каждого диаметра электрода существует диапазон рекомендуемых значений тока. Его ориентировочное значение для электродов диаметром 1,6 мм составляет 140 - 300 А, диаметром 2 мм - 200 - 300 А, однако наплавку в СО2 целесообразно выполнять не на всем этом диапазоне значений тока.
Для каждого диаметра электродной проволоки существует диапазон значений тока (рис.2), в котором обеспечиваются достаточная устойчивость горения дуги, удовлетворительное формирование наплавленного валика и минимальные потери электродного металла на угар и разбрызгивание.
При восстановлении деталей небольших диаметров рекомендуется использовать диапазон малых значений тока, при этом уменьшается прогрев детали и газоэлектрическая горелка не требует дополнительного охлаждения.
Рисунок 2 - Зависимость потерь металла на угар и разбрызгивание от тока наплавки
Обычно наплавку различных деталей производят при напряжении дуги 16 - 34 В. Большие значения напряжения горения дуги соответствуют большему значению тока. Вместе с тем процесс наплавки длинной дугой характеризуется крупнокапельным переносом электродного металла, что приводит к неравномерному формированию валика и недопустимо сильному разбрызгиванию, поэтому наплавку рекомендуется выполнять в режиме с меньшим значением напряжения.
Для выбора режима наплавки целесообразно использовать зависимость, приведенную на рис. 3.
Рисунок 3 - Зависимость напряжения дуги от тока наплавки
Для обеспечения стабильного процесса с допустимыми технологическими характеристиками и небольшим разбрызгиванием наплавку необходимо выполнять при определенных соотношениях между напряжением и током. Экспериментально установлено, что это соотношение желательно выдерживать в пределах 8 - 11.
Область устойчивых режимов, обеспечивающих удовлетворительное формирование валиков, при изменении пространственного положения наплавляемой поверхности сокращается и перемещается в сторону понижения значений тока и напряжения.
Скорость подачи электрода, м/ч, выбирается по справочным материалам или рассчитывается по формуле:
, (3)
, м/ч
где бр - коэффициент расплавления, г/А•ч;
Iн - ток наплавки, А;
с - плотность металла проволоки, г/см3.
Коэффициент расплавления электродной проволоки сплошного сечения при наплавке в углекислом газе
, (4)
, г/А•ч
Шаг наплавки, мм/об,
S = (1,6 - 2,2) dэл. (5)
S = 1,6*1=1,6, мм
Скорость наплавки, м/ч,
, (6)
, м/ч
где
бн - коэффициент наплавки, г/А•ч;
Fн - площадь поперечного сечения наплавленного валика, мм2;
с - плотность металла шва, г/см3.
Коэффициент наплавки
, (7)
, г/А•ч
где ш - потеря электродного металла, %.
Стабильному процессу наплавки соответствуют минимальные потери электродного металла на угар и разбрызгивание - 5 - 8 %, а нестабильному - 15 - 20 %.
Площадь поперечного сечения наплавленного валика, мм2,Fн = днSа, (8)
Fн = 1,3*1,6*0.7=1,46, мм2
где а - коэффициент, учитывающий отклонение площади наплавленного валика от площади прямоугольника (а = 0,6 - 0,7).
Частота вращения, об/мин, наплавляемой детали определяется по формуле:
, (9), , об/мин
где D - диаметр наплавляемой поверхности, мм.
Вылет электродной проволоки существенно влияет на устойчивость процесса и качество наплавленного слоя. Соотношения вылета электрода от его диаметра приведены в табл.2.
Таблица 2
Соотношение между вылетом и диаметром электрода
Диаметр электрода, мм |
1,0 |
1,2 |
1,6 |
2,0 |
|
Вылет электрода, мм |
8 - 15 |
9 - 20 |
15 - 22 |
15 - 22 |
Изменение вылета электрода в процессе наплавки на 1 мм приводит к изменению тока на 8 - 10 А. С увеличением плотности тока вылет электрода необходимо уменьшить.
Изношенные детали наплавляются в СО2 на постоянном токе обратной полярности. Наилучшие условия для саморегулирования дуги создаются при использовании источников тока с жесткой внешней характеристикой, позволяющей выдержать напряжение на дуге с точностью до 0,5 В, тогда как с круто падающей - 1,5 В. Это сводит к минимуму изменение химического состава наплавленного слоя. Двуокись углерода в зависимости от назначения в соответствии с ГОСТ 8050-85 выпускается трех марок: сварочная, пищевая и техническая. Сварочная двуокись углерода при наплавке может использоваться без ограничений, пищевая - только после ее осушения, а техническая для этих целей не используется. Расход углекислого газа зависит от диаметра электрода и составляет 6 - 25 л/мин.
Для механизированной наплавки в СО2 обычно применяется оборудование, изготовленное самим ремонтным предприятием.
Установка для наплавки состоит из модернизированного токарного станка, подающего механизма, газоэлектрической горелки и источника питания.
В качестве вращателя используется изношенный токарный станок. Частота вращения шпинделя станка снижается в 20 - 40 раз, для этого между электродвигателем привода и первым валом коробки скоростей устанавливают понижающий редуктор.
Механизм подачи электрода с газоэлектрической горелкой крепится на суппорте станка. Источник питания выбирается по справочной литературе [5].