Свойства режущих пластин ЦМ332

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 11Следующая ⇒

Материал	HRc	Предел прочности, (кг/мм²)	Удельный вес g (г/см³)
при изгибе	при сжатии
ЦМ332	92…93	30…40		3, 87…3, 92

Эльбор (боразон) представляет собой нитрид бора с кубической кристаллической решеткой высокой прочности. В его составе до 40 % бора и до 50 % азота. Материал используют для изготовления инструмента с особо твердыми режущими пластинами.

Виды инструмента: специальные боразоновые шлифовальные круги и притирочные пасты для обработки материалов повышенной твердости, для обработки закаленных деталей из высокоуглеродистой стали (при снятии зубчатых венцов шестерен для процессов восстановления методами дополнительных ремонтных деталей), для обработки поверхностей отбеленного чугуна, для заточки металлокерамических пластин твердосплавного составного режущего инструмента и других подобных целей.

Основные операции изготовления режущего инструмента с минералокерамическими твердыми пластинами аналогичны операциям, приведенным в табл. 3.13. Аналогичная технология применена для изготовления составных фрез, зенкеров, разверток и т.п.

Одновременно с повышением качества режущего инструмента необходимо совершенствовать технологические процессы его использования. Выбор режимов скоростного и силового резания при обработке восстанавливаемых деталей может нарушить оптимальные характеристики рабочих поверхностей по структуре, прочности и послеремонтному ресурсу.

Примерами совершенствования процессов механической обработке деталей при восстановлении автомобильных двигателей ГАЗ, УАЗ, ЗМЗ могут быть рекомендации, разработанные на автомобильном факультете НГТУ, по использованию алмазных шлифовальных кругов и алмазных хонинговальных брусков с синтетическими алмазами АСО, а также введение двух операций чистового шлифования вместо одной.

Использование этих предложений в ремзонах производственно-технических служб двух нижегородских автотранспортных предприятий повысило стойкость инструмента, улучшило характеристики поверхностного и подповерхностных слоев восстанавливаемых деталей, уменьшило количество микротрещин на поверхности, увеличило ресурс отремонтированных деталей. Для обработки коренных и шатунных шеек двигателей ВАЗ под ремонтные размеры была использована рекомендация увеличения радиусов закругления на рабочих поверхностях шлифовальных кругов. Вследствие этого были увеличены радиусы галтелей и повышена прочность шеек коленчатых валов. По заказам ремонтных бюро при управлениях главного технолога ГАЗ и ЗМЗ были разработаны рекомендации по подбору режимов силового резания для твердосплавного инструмента, исключающие повреждения подповерхностных слоев восстанавливаемых деталей. При этом некоторое увеличение машинного времени на операции резания частично может быть скомпенсировано повышением стойкости инструмента, сокращением количества наладок станка, увеличением ресурса детали.

Упрочнение деталей при ремонте методами
поверхностного пластического деформирования

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) отличается от других методов ремонта: раздачи, осадки, вдавливания, правки соосных элементов валов т.п. тем, что при ППД одновременно с восстановлением формы ремонтируемой детали происходит изменение структуры поверхностных и подповерхностных слоев металла. При этом увеличиваются прочность металла, износостойкость рабочих поверхностей, оптимизируются структурные характеристики материала за счет повышения износостойкости и улучшения микропрофиля.

При обработке рабочих поверхностей резанием, как это следует из рис. 3.15, происходят процессы деформации металла, что приводит к увеличению количества нарушенных дислокаций (рис. 3.16 и рис. 3.17) [2, 5, 14].

Рис. 3.15. Схема образования микротрещин при механической обработке детали: 1 – микропрофиль детали перед обработкой; 2 – микротрещины; 3 – элементарная порция (элементарный блок) стружки; 4 – резец; 5 – микропрофиль детали после обработки; D – глубина проникновения микротрещин по линии сдвига

Рис. 3.16. Схема сил в нормальной дислокации:

а – схема атомной решетки; б – схема межатомных уравновешивающихся сил; 1 – атом поверхностного слоя; 2 – поверхность; 3 – атомы внутренних рядов структуры

Рис. 3.17. Схема сил в нарушенной дислокации:

а – схема атомной решетки; б – схема межатомных неуравновешивающихся сил. 1 – атом поверхностного слоя; 2 – поверхность; 3 – атомы внутренних
рядов структуры

Дислокацией называют область кристаллической решетки, искаженной под влиянием перемещений в ней атомов. Для оценки состояния материала детали используют энергетическую теорию Губера-Мизеса-Генки, т.е. условие постоянства удельной энергии изменения формы. Согласно данной теории, для перехода металла в пластическое состояние необходимо накопить в объеме вещества некоторое постоянное количество потенциальной энергии независимо от схемы напряженного состояния. Обозначив величиной А_ф удельную потенциальную энергию изменения формы, А_деф – энергию удельной потенциальной деформации металла, через А_о – удельную потенциальную энергию упругого изменения объема тела, получим выражение

А_ф=А_деф - А_о. (3.43)

Полагая деформации кубического элемента объема по осям x, y, z соответствующими величинам напряжений в элементе s₁, s₂, s₃, а разности между s₁ и s₃ равными s_s, т.е. s₁ – s₃= s_s, с соответствующими s₁, s₂, s₃, получим

, (3.44)

, (3.45)

где e_i – характеристика деформации элементарного объема материала; e₁, e₂,
e₃ – деформации элементарного объема материала по осям x, y, z под действием сил деформации Р_деф.

Совместное решение уравнений (3.44) и (3.45) и использование так называемых «кривых упрочнения», полученных в результате экспериментальных исследований, позволяют найти величину «оптимального сопротивления деформации». При этом материал детали упрочняется в заданных технологической обработкой пределах за счет увеличения потенциальной энергии поверхностного слоя, «схлопывания» микротрещины и оптимизации характеристик исходного микропрофиля (см. рис. 3.18 и 3.19). Так, например, при осадке наружной поверхности трубы амортизатора или при ремонте впускного клапана методом вдавливания пуансона в его головку, напряжения могут быть подсчитаны по следующему выражению:

, (3.46)

где u – «коэффициент вытяжки»; F₀ – начальная площадь поперечного сечения детали; F₁ – площадь поперечного сечения детали после прошивки гладкой «брошью» или после обжатия оправкой.

Рис. 3.18. Схема расположения блоков и межблочных зон в приповерхностном слое детали:

1 – пленка окислов на поверхности детали; 2 – блоки (нормальные дислокации);
3 – межблочные зоны (нарушенные дислокации)

Рис 3.19. Схема увеличенного участка микропрофиля детали:

1 – микротрещины; 2 – межблочные зоны; 3 – блоки; 4 – поверхность детали;
5 – пленка окисла; l – длина опорной площадки на вершине гребешка микропрофиля;
S – соответствующая ей площадь

Коэффициент уменьшения поперечного сечения m подсчитывают по выражению

, (3.47)

где l₀ – длина детали до прошивки отверстия или до обжатия оправкой;
l₁ – длина детали после данной обработки;

, (3.48)

где k – коэффициент уменьшения поперечного сечения детали после обработки наружной и внутренней поверхности методами пластической деформации. При этом напряжение деформации s_z должно удовлетворять условию

, (3.49)

где s_р – предел прочности материала детали на растяжение (кг/мм²).

Основными способами восстановления деталей методами пластического деформирования являются следующие: «а» – осаживание детали; «б»– раздача детали при прошивке гладкой «брошью»; «в» – обжатие детали при помощи специальной наружной оправки (рис. 3.20) [4, 12].

Методы ПДД приводят к увеличению усталостной прочности детали на 25…30 % и более. Они широко использовались при восстановлении деталей двигателей в ОАО ГАЗ (г. Нижний Новгород) и в ярославском объединении «Автодизель» (г. Ярославль, г. Тутаево). Некоторые режимы упрочнения автомобильных сталей с увеличением усталостной прочности s_-1 (%) после ППД приведены в табл. 3.15.

Рис. 3.20. Схема восстановления деталей способами давления:

а – осадкой; б – раздачей; в – обжатием; Р – приложенные силы,
s – деформации под действием этих сил

Мартенситная структура – специфическая мелкоигольчатая микроструктура сплава, определяющая его максимальную твердость. Скорость V распада мартенсита соответствует выражению

, (3.50)

где n – число кристаллов карбида; u – энергия активизации распада 33000 (кал/моль); R – постоянная среды; Т – температура (К).

Наиболее эффективными приемами ППД являются технологические процессы обкатки галтелей коленчатых валов, стержней и фасок клапанов роликами, обработка заготовок стальных и чугунных коленчатых валов, а также распределительных шестерен металлической «дробью» в потоке сжатого воздуха, упрочнение при ремонте рабочих поверхностей «зеркала цилиндров» с помощью механических, пневматических и электрических вибраторов и другие, подобные перечисленным, процессы. Усилие воздействия на упрочняемую деталь не должно сообщать излишней энергии поверхностным ее слоям. В противном случае возможно искажение формы детали, главным образом, в виде изгибов продольной оси. Для увеличения стойкости детали к усталостным напряжениям s_-1 (см. табл. 3.15) необходимо соблюдать при операциях ППД ограничения величин «нагрузки обката», не превышая ее допустимых величин.

Таблица 3.15

Зависимость предела выносливости s_-1 после ППД от структуры и свойств материала

Сталь	Структура HRc	Нагрузка обкатки Н	s_ост кг/мм²	s_-1 кг/мм²	Ds_-1 %
18ХН4ВА	Сорбит 25…28		–
Троостит 34…37		–
Мартенсит 37…40		–
38ХС	Сорбит 32		–
Троостит 42		–
Мартенсит 52		–
45ХН2МФА	Сорбит 37…39		–
Троостит 42…43		–
Мартенсит 52…54		–

На основании уравнения (3.50) возможно «искусственное старение» металла детали, для того чтобы избежать искажений формы деталей вследствие старения материала, наплавленного для восстановления посадочных отверстий и привалочных плоскостей, например, при восстановлении шатунов, поверхностей, для установки «мокрых» гильз цилиндров в блоке и т.п., после соответствующей механической обработки посадочных поверхностей. Искусственное «старение» стальных и чугунных деталей после сварки и наплавки осуществляют выдержкой металла при повышенной температуре Т в течение заданного времени. Поэтому процессы ППД необходимо осуществлять на «состаренных» таким образом деталях, что гарантирует сохранение их формы на длительный срок после выполненного ремонта. Опыт Горьковского автозавода и Ярославского объединения «Автодизель» подтверждает преимущества описанной технологии ремонта.

На автомобильном факультете НГТУ были рекомендованы режимы поверхностного упрочнения рабочих и нерабочих поверхностей коленчатых валов двигателей автомобилей ВАЗ. Упрочнение производилось обработкой чугунной дробью в потоке сжатого воздуха и проводилось перед операциями чистового шлифования коренных и шатунных шеек под номинальный или ремонтный размеры. При этом прочность поверхностного слоя увеличивалась на 10…15 % при испытаниях по шкале НВ вследствие ликвидации большого количества микротрещин, образующихся после чернового шлифования шеек. Обкатка галтелей шеек коленчатых валов роликом увеличивала прочность материала рабочих поверхностей на 15…18 % при ремонте двигателей ЗМЗ× V‑ 8, предназначенных для установки на специальные автомобили.

Совершенствование технологических процессов восстановления
деталей электродуговой и газовой сваркой и наплавкой

При осуществлении процессов сварки и наплавки для ремонта деталей автомобилей и автомобильных двигателей необходимо соблюдение главного условия – стабильного «горения» электрической дуги. Устойчивость электрической дуги обеспечивается высокой степенью ионизации газового промежутка. Поток электронов, образующих электрический ток, характеризуют количество электронов, проходящих через электрическую цепь сварочного устройства, и величина ее электрического сопротивления. Масса электрона составляет
9, 1× 10^{‑ 28} г, схема дугового разряда приведена на рис. 3.21 [10].

Рис. 3.21. Схема дугового разряда, переноса электрических зарядов
и прохождения тока через дуговой промежуток:

е – электрон; А⁰ – нейтральный атом; А⁺ – положительно заряженный ион газа; I_е – электронный ток; I_i – ионный ток

Температура дуги по данным К.К. Хренова и В.В. Фролова

Т_сд = (810…1050) u_i, (3.51)

где Т_сд – температура «столба дуги» (К); u_i – потенциал ионизации газа в «столбе дуги» (электровольт).

Для повышения стабильности горения дуги в зону ее действия вводят вещества, обладающие более низким потенциалом ионизации по сравнению со сплавами железа: соединения калия, натрия, кальция, окиси железа и т.д. Эти соединения вводятся в зону сварки в качестве флюсов при сварке и наплавке на переменном токе.

Баланс энергии на аноде электрической дуги и на катоде определяется приведенными зависимостями:

Q_k= U_B + U_A, (3.52)

где Q_k – энергия на аноде дуги; U_B – работа выхода электронов, приобретенная ими при выбивании из катода положительно заряженными ионами и приносимыми затем аноду; U_A – кинетическая энергия ускорения электронов, приобретаемая ими в анодной области.

Работа «выхода» для железа (материал катода) U_B = 4, 18 B, для вольфрама U_B = 4, 54 В и т.п.

Баланс энергии на катоде Q_k для электрической дуги на переменном токе состоит из потенциальной энергии положительных ионов U_i, кинетической энергии тех же ионов U_k за вычетом энергии, затрачиваемой этими ионами на выход электронов из катода U_B с долей f для U_i и U_k:

. (3.53)

При наличии в полости дуги ионов фтора, например, при сварке сплавов железа, баланс энергии на катоде Q_k соответствует зависимости

, (3.54)

где U_c – «сродство» атома фтора к электрону; j – отношение тока отрицательных ионов к суммарному значению тока электронов и отрицательных ионов. Использование при сварке и наплавке электродов больших диаметров, 3…5 мм и больше приводит к возникновению в зоне дуги так называемого «магнитного дутья», смещающего пятно контакта электрической дуги в ту или иную сторону от проекции электрода на деталь. Данное явление можно нейтрализовать снижением напряженности электромагнитных полей в зоне сварки применением электродов с уменьшенными диаметрами или учетом при сварке величины смещения дуги вблизи ферромагнитных масс: блоков цилиндров, картеров, чугунных головок цилиндров для дизельных двигателей большого литража и т.п.

При прочих равных условиях использование переменного тока при сварке и наплавке для ремонта деталей из сплавов железа в значительной мере устраняет явления «магнитного дутья».

Эффективная тепловая мощность Q_э при сварке определяется выражением

, (калорий в секунду), (3.55)

где h_т - эффективный тепловой КПД нагрева изделия, представляющий собой отношение эффективной мощности дуги к полной тепловой мощности; I – сила тока в электрической цепи сварочного устройства в зоне подвода к электрической дуге; V – напряжение, подводимое к дуге.

Погонную энергию сварки определяют по выражению (в калориях на сантиметр длины сварочного шва):

, (3.56)

где V_св – скорость сварки (см/с).

Погонная энергия при дуговой сварке плавящимся электродом непосредственно связана с поперечным сечением однопроходного шва F:

, (3.57)

где g – плотность металла шва (г/см³); a_н – коэффициент наплавки (г/ампер× ч); F – площадь поперечного сечения шва (см²).

Для электродуговой сварки справедливо выражение

. (3.58)

Для создания оптимальных условий формирования и застывания сварочного шва, чтобы избежать перегрева, непровара, получения неоптимальной структуры при охлаждении наплавленного металла шва и т.п., необходимо правильно выбирать градацию температур при плавлении и застывании материала. Для определения Т – «температуры точки», находящейся на поверхности свариваемого изделия на каком-либо расстоянии от края «пятна дуги», используют зависимость Н.Н. Рыкалина:

, (3.59)

где е – основание натурального логарифма; p=3, 14; Q_э – эффективная мощность дуги (кал/с); V_св – скорость сварки (см/с); l – коэффициент теплопроводности (кал/см× градус); – коэффициент температуропроводности (см²/с); с – теплоемкость свариваемого металла (кал/г× град); g – плотность свариваемого металла (г/см³); R – расстояние данной точки от края «пятна» сварочной дуги (см).

Теплофизические свойства некоторых металлов приведены в табл. (3.16).

Если V_св= 0, т.е. для неподвижной дуги, то справедливо выражение

. (3.60)

Таблица 3.16

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 6 7 8910 11 Следующая ⇒