Исследование параметров вибродуговой наплавки

 

1 Цель работы:

 

1.1 Ознакомиться с установкой для вибродуговой наплавки и устройством наплавочной головки ОКС-1252М.

1.2.Изучить технологический процесс вибродуговой наплавки поверхности изношенной детали.

1.3 Произвести расчёты режимов наплавки и наплавить цилиндрическую поверхность.

1.4 Определить качество наплавки: наличие пор, трещин и твёрдость наплавленного металла.

1.5. Составить отчёт.

 

2 Техника безопасности при выполнении лабораторной работы

 

2.1 Наплавочные операции характеризуются повышенной опасностью из-за наличия электрического тока, расплавленного металла и лучистой энергии, поэтому наплавочную установку включать только в присутствии преподавателя или учебного мастера.

2.2 При включении станка предупредить окружающих.

2.3 При наплавке запрещается касаться чем-либо обрабатываемой детали.

2.4 Запрещается смотреть на электрическую дугу без средств индивидуальной защиты (шлем, специальный щиток с затемнённым стеклом или очки со светофильтрами В-2, В-3).

2.5 Запрещается работа с неисправной местной вытяжкой или без неё.

2.6 При обнаружении любой неисправности прекратить работу и сообщить преподавателю или учебному мастеру.

2.7 Перед включением установки проверить надёжность её заземления.

 

3 Общие сведения о вибродуговой наплавке

 

Способ вибродуговой наплавки (называемый в некоторых источниках электровибрационной, электроимпульсивной, виброконтактной наплавкой) предложен в 1950 году инженером Г.П. Клековкиным. Сущность его заключается в том, что на изношенную поверхность детали наплавляется расплавленная электрической дугой проволока, которой сообщается вибрация её конца. В зону наплавки подаётся водный раствор кальцинированной соды или технического глицерина, возможна подача углекислого газа, аргона и пара. Жидкость (или газ) предохраняет зону наплавки от вредного воздействия кислорода и азота воздуха. Жидкость, кроме того, обеспечивает быстрое охлаждение наплавленного металла и его закалку. Процесс вибродуговой наплавки осуществляется постоянным током обратной полярности (плюс – на электроде, минус – на детали) при напряжении 14…25 В.

В результате вибрации электродной проволоки обеспечивается чередование дуговых разрядов и коротких замыканий от образования контакта между деталью и проволокой. За полный цикл вибрации электродной проволоки наблюдаются три периода изменения силы и напряжения сварочного тока: период короткого замыкания, период электрического дугового разряда и период холостого хода.

При частоте вибрации проволоки равной 100 колебаний в секунду – время короткого замыкания и дугового разряда, т.е. плавления и переноса металла, составляет 20…30 %, а период холостого хода 60…70%. Исследованиями установлено, что в период дугового разряда выделяется 86, 3% тепла при холостом ходе и коротком замыкании 13, 7%.

В течении холостого хода создаются условия для сильного окисления металла. Уменьшить период холостого хода и ослабить его отрицательное влияние на процесс наплавки можно путём увеличения индуктивности источника сварочного тока или повышения напряжения.

Повышение напряжения электрического тока нежелательно, поэтому в электрическую цепь следует последовательно включают индуктивность равную L = 0, 5 … 0, 7 мкГн.

Индуктивность увеличивает устойчивость электрической дуги, снижает величину импульса тока в период контакта и уменьшает разбрызгивание расплавленного металла. При включении в электрическую цепь индуктивности характер переноса металла на поверхность детали приближается к электродуговой наплавке. Потери электродного материала без индуктивности могут достигать 30%, при включении в цепь индуктивности – снижаются до 5…8%.

Достаточной индуктивностью обладают дроссели – регуляторы сварочных трансформаторов типа РСТЗ-34 и РСТА-24. Индуктивность регулируется изменением числа витков обмотки дросселя, включаемых в цепь. Чтобы наплавщик мог включить необходимое число витков дросселя, от них делают отпайки, которые подводят к медным втулкам, смонтированным на распределительном шкафу. Необходимое количество витков индуктивности включается с помощью штекера.

Положительное влияние индуктивности объясняется индуктированием электродвижущей силы (ЭДС) в её обмотке, ЭДС. электрической цепи в период короткого замыкания и холостого хода создаёт магнитное поле вокруг катушки индуктивности, а в период дугового разряда это поле индуктирует ЭДС, которая по направлению совпадает с направлением ЭДСисточника тока, увеличивая напряжение тока электрической дуги и время переноса электрического материала.

При наплавке необходимо обеспечить стабильность переноса электродного материала. Процесс считается стабильным, если изменения силы тока составляет не более 10%, а напряжение до 4 В. На стабильность электрического процесса наплавки оказывают влияние: вибрации конца электродной проволоки, зазор между наконечником мундштука и поверхностью детали, количество и зона подачи жидкости источника тока и другие условия.

Вибрации конца электродной проволокиулучшает условия формирования наплавляемых валиков, позволяет применить для наплавки проволоку небольшого диаметра и получить малые толщины наплавленного металла.

Способ вибродуговой наплавки имеет ряд преимуществ:

– наплавленный слой имеет толщину от 0, 3 до 3, 0 мм;

– для получения большой толщины допустима наплавка в два слоя и больше;

– небольшую глубину зоны термического влияния, при этом деформации деталей диаметром более 10…15 мм практически нет;

– возможность наплавлять наружные и внутренние (более 50 мм) поверхности вращения, а также резьбовые, шлицевые и другие поверхности;

– наплавленный слой большой твёрдости (HRC=55…60) без дополнительной термообработки;

– небольшая стоимость установки и возможность организации поста для наплавки деталей на специализированных ремонтных предприятиях и в мастерских крупных леспромхозах и лесхозов.

Недостатки этого способа:

– значительное выгорание электрода и легирующих элементов электродной проволоки;

– неравномерная твёрдость наплавленного слоя на поверхности, колеблется в пределах HRC=20…60;

– снижение усталостной прочности деталей, работающих в условиях циклических знакопеременных нагрузок (коленчатые валы, кривошипы и др.).

 

4 Оборудование поста вибродуговой наплавки

 

Основными элементами наплавочной установки являются: автоматическая наплавочная головка, токарный станок для монтажа наплавочной головки, детали для наплавки, источник тока, индуктивность, токопроводы и распределительный шкаф, электродная проволока, штангенциркуль, щиток сварщика, рукавицы, твёрдомер.

 

5 Описание устройства установки

 

Принципиальная схема установки и ее основные элементы показаны на рис. 16.

В настоящее время для вибродуговой наплавки применяются несколько конструкций автоматических головок, наиболее распространёнными являются ОКС-1252М и КУМА-5М. Головки выпускаются с электромагнитными и механическими вибраторами.

Головки обеспечивают равномерную подачу проволоки с различными скоростями: при этом отношение скорости подачи к скорости вращения детали практически остаётся постоянным.

Эти условия выдерживаются благодаря наличию в механизме подачи проволоки рифлёных роликов разного диаметра для зубчатых шестерён.

 

Рис. 16. Схема установки для вибродуговой наплавки:

1 – деталь; 2 – электродная проволока; 3 – мундштук; 4 – пружина; 5 – вибратор; 6 – катушка с проволокой; 7 – ролик подрезающего механизма; 8 – подвод жидкости; 9 – источник тока; 10 – насос; 11 – индуктивное сопротивление; 12 – резервуар-отстойник

 

Направляющие головки устанавливаются на переоборудованных токарных станках. Станок должен быть исправным, обеспечивать равномерное вращение шпинделя при закреплёнии на нём неуравновешенных деталей. Даже незначительная пробуксовка шпинделя (от износа элементов передачи главного движения, применения сшивных ремней) или поворот его в противоположную сторону от действия неуравновешанных масс детали приводит к браку при наплавке. В механизме подачи станка должны быть устранены излишние зазоры, включать и выключать суппорт нужно плавно, без толчков. Механизм привода подачи должен обеспечивать суппорту равномерное перемещение в пределах от 0, 2 до 3, 5 мм/об.

Необходимо, чтобы шпиндель станка обеспечивал вращение деталей в диапазоне с нужным передаточным отношением (от 1/20 до 1/40).

Станок, используемый для вибродуговой наплавки, должен быть оснащён насосом производительностью 6010 мин для подачи рабочей охлаждающей жидкости. Жидкость, стекающая в корыто, возвращается обратно в бачок, сливное отверстие следует закрыть фильтром (сеткой и ветошью, чтобы очистить жидкость.

Для питания установки необходимы постоянный ток напряжением 14…25 В и силой тока 100…300 А. Источник тока должен быть иметь жёсткую внешнюю характеристику, т.е. сравнительно незначительно снижать напряжение при замыкании цепи электродом. Обычные источники сварочного тока полностью не удовлетворяют этим требованиям, так как имеет крутопадающую характеристику.

Регулировка электрических параметров и контроль за этими параметрами осуществляется при помощи устройств и приборов, вмонтированных в распределительном шкафу (вольтметра от 0 до 30 В и амперметра от 0 до 500 А).

Электрическая цепь постоянного тока установки должна быть сделана из медного провода сечением 80…100 мм².

Следует обращать внимание на надёжность контактов и тщательную изоляцию наплавочной головки от станка. Изоляция должна поддерживаться не только за счёт изоляционной прокладки, но и своевременной уборки со станка стружки, пыли (не говоря уже о металлических предметах, которые могут быть причиной её нарушения). Плохие контакты увеличивают сопротивление цепи и приводят к несплавляемости расплавленного металла с деталью. Надёжный контакт обеспечивает присоединение токонесущего провода к меднографитовой щётке, скользящей по медному кольцу, насаженному на патрон или планшайбу шпинделя.

Конструкция головки вибродуговой ОКС 6569 М представлена на рисунке 17. Механический вибратор 11 служит для создания вибрации электрода. Шкив 18 передает вращение эксцентриковому валу 14, на котором находится эксцентриковая втулка 15. Со втулкой шарнирно соединен шатун 16 который при вращении эксцентрикового вала передает колебания через коромысло 13 сменному мундштуку.

Кожух 8 служит для ограждения вращающихся деталей головки и удерживает сменные шестерни редуктора в зацеплении при наклоне головки.

Колонка 5 служит для поворота головки относительно вертикальной оси и ее наклона, а также для фиксации головки во время наплавки болтом 7. В нижней части колонки имеется ограничитель подъема.

Трещотка 3 служит для изменения расстояния от конца мундштука до поверхности наплавляемой детали. Вращая трещотку, можно поднять или опустить головку на необходимую высоту.

Зажим 2 служит для установки головки на необходимую высоту. Для предотвращения самопроизвольного поворота колонки имеется вентиль 4. Зажим является несущей деталью для всех частей головки и устанавливается через изоляционную прокладку на плиту 1.

Плита 1 служит для установки головки на токарный станок и для отвода охлаждающей жидкости в емкость.

Электродвигатель 9 служит для передачи вращения через клиновой ремень шкиву редуктора и шкиву вибратора 18.

Кожух защитный 12 служит для защиты рабочего от искр и светового излучения сварочной дуги и закрепляется на плите 1.

 

6 Номенклатура восстанавливаемых деталей и их классификация

 

Вибродуговой наплавкой можно восстанавливать изношенные поверхности: стальных, чугунных и бронзовых деталей. Наплавляют обычно цилиндрические (наружные и внутренние) поверхности, реже резьбовые и шлицевые.

Применение копировальных устройств позволяет наплавлять также фасонные поверхности. К восстанавливаемым деталям предъявляются различные требования по толщине, структуре, твёрдости и другим показателям наплавочного металла.

Согласно этим требованиям восстанавливаемые детали можно разделить на четыре группы:

 

Рис. 17. Вибродуговая головка ОКС 6569 М

 

I группа –детали, поверхности которых наплавляются для неподвижных посадок (под подшипники, качения, неподвижные посадки и т.д.).

II группа –детали, поверхности которых работают на истирание без воздействия знакопеременных нагрузок (оси, ступенчатые и прямые валы). Направляемый слой должен быть очень твёрдым износостойким.

III группа – детали, подверженные абразивному износу, не требующие после наплавки обязательной механической обработки (катки, ролики и т.д.).

Основное требование к качеству наплавки этих деталей – получение ровной и твёрдой наплавляемой поверхности, гарантирующей достаточную эксплуатационную надёжность.

 

Режимы наплавки

 

К технологическим режимам, влияющим на качество наплавленного слоя, относятся:

– марка, химический состав и диаметр электродной проволоки;

– скорость наплавки (число оборотов детали в минуту) и скорость подачи электродной проволоки;

– толщина наплавленного слоя;

– амплитуда вибрации конца электродной проволоки и её положение относительно наплавляемой поверхности;

– состав охлаждающей жидкости, её количество и условия перехода.

Как показал опыт работы ремонтных предприятий, наплавщикам очень трудно выбрать режимы наплавки, поэтому авторы считают необходимым дать основные рекомендации по режимам наплавки.

Выбор и подготовка электродной проволоки. Марки проволоки подбираются по химическому составу с учётом состава металла восстанавливаемой детали и получения необходимой твёрдости наплавки. При выборе марки проволоки необходимо учитывать частичное выгорание углерода, марганца, кремния и других легирующих элементов при наплавке по сравнением с начальным содержанием их в электродной проволоке.

Наплавку поверхностей деталей I группы желательно проводить с применением малоуглеродистых и малолегированных проволок марок СВ-08, СА-10, 18ХГСА и т.д. Наплавленными этими марками проволок поверхности хорошо обрабатываются точением, фрезерованием, строганием.

Наплавку поверхностей деталей II группы рекомендуется вести проволоками марки ПК, 30ХГСА, ВС, 65У, ОВС, У-8. Наибольшую твёрдость (HRC=50 … 60) наплавленной поверхности даёт применение проволоки марок ОВС и У-8. Наплавленные поверхности приходится обрабатывать шлифовальными кругами. Детали III группы рекомендуется наплавлять проволоками ОВС, ВС и проволоками, сходными с ними по химическому составу. При наплавке этих деталей необходимо применять режимы и приёмы наплавки, не вызывающие трещин и пор в наплавленном слое.

Наплавку поверхностей деталей IV группы выполняют высоуглеродистыми и марганцовистыми проволоками марок 65Г, ОВС, 5-З, ПК и др. Оптимальные диаметры проволоки 1, 6…2, 0 мм. С уменьшением диаметра проволоки устойчивость процесса ухудшается. Перед намоткой проволоки на кассету её необходимо тщательно очистить от грязи, маслом. Плохо очищенная проволока увеличивает количество пор в наплавленном слое. Проволока не должна иметь перегибов, нарушающих равномерность подачи.

Скорость подачи электродной проволоки зависит от силы тока. Она может быть рассчитана по формуле:

I=110d+10d²,

где I – сила тока сварочной цепи, в амперах;

U – напряжение сварочной цепи, в вольтах;

d– диаметр электродной проволоки, в мм.

 

или по формуле:

 

 

где a_н – коэффициент наплавки, г/А× 4;

g – плотность металла наплавленного слоя, г/см³

Скорость подачи электродной проволоки обычно принимают в пределах 1, 2 … 2, 0 м/мин, а скорость наплавки 0, 3 … 2, 0 м/мин.

Наплавочные головки настраиваются на необходимую скорость подачи проволоки выбором сменных зубчатых колёс (головка КУМА-5М и ОКС-1252М). Скорость подачи электродной проволоки, её диаметр, скорость перемещения наплавляемой поверхности детали и толщина наплавленного слоя – взаимозависимые параметры.

В табл. 8 приведены данные, характеризующие зависимость между отношением скорости подачи проволоки и скорости вращения деталей и толщиной наплавки.

Таблица 8

Взаимосвязь между отношением скорости подачи проволоки и скорости вращения детали и толщиной

Диаметр проволоки, мм	Отношение скорости подачи проволоки к скорости вращения детали	Толщина наплавленного слоя, мм	Рекомендуемая подача, мм/об
1, 6	2, 5 … 2, 7	1, 5 … 1, 7	2, 5 … 2, 75
1, 6	3, 5 … 4, 0	2, 5 … 3, 0	2, 5 … 2, 75
2, 0	1, 6 … 2, 0	1, 5 … 1, 7	3, 0 … 3, 5
2, 0	3, 0 … 3, 5	2, 5 … 3, 0	3, 0 … 3, 5

 

н – коэффициент, учитывающий формирование шва, К= 0, 6 … 0, 7;

h – толщина наплавляемого слоя (мм);

S –шаг наплавки (мм/об);

Д – диаметр, в мм.

Число оборотов шпинделя определяется по формуле:

где Д – диаметр детали, мм.

V_н – скорость наплавки определяется по формуле:

 

 

где h – коэффициент перехода материала проволоки в наплавленный слой;

s –шаг наплавки, мм/об;

V_пр – скорость подачи проволоки;

d – диаметр проволоки, мм;

h – толщина наплавляемого слоя, мм.

Толщина наплавленного слоя применяется с учётом получения необходимого размера детали припуска на механическую обработку в пределах 0, 801, 2 мм на сторону.

Амплитуда вибраций электродной проволоки должна быть в пределах (1, 2…1, 3)·d_пр. (диаметр проволоки), а вылет электрода l=(5… 8)·d_пр. С увеличением толщины наплавки амплитуда вибрации должна увеличиваться.

Величина подачи суппорта (шаг наплавки) принимается от 1, 6 до 3, 0 мм/об. При меньших подачах не обеспечиваются качественная сплавляемость электродного материала с металлом детали. Сплавление будет только по первому валику. При больших подачах увеличивается глубина впадин между валиками и припуски на механическую обработку.

От напряжения тока в цепи зависит температура сварочной ванны и интенсивность сплавления металла детали с металлом электродной проволоки.

При напряжении меньше 12 В не образуются ванночки расплавленного металла и частицы проволоки привариваются к деталям за счёт теплоты, выделяющиеся во время контакта. В наплавленном слое образуются поры, раковины, наблюдается отслаивание. При напряжении более 25 В увеличивается длина дуги, металл перегревается, разбрызгивается, более интенсивно выгорает углерод и другие легирующие элементы.

В наплавленном слое образуются поры, раковины, окислы. Оптимальное напряжение находится в пределах 17 … 22 В. При перемене проволоки диаметром 1, 6 мм качественная наплавка обеспечивается при напряжении 14 … 15 В, с увеличением диаметра проволоки напряжение надо увеличить. Сила тока зависит от диаметра проволоки и скорости её подачи, может колебаться от 100 до 300 А. Силу тока выбирают по плотности тока из расчёта 65 … 75 А/мм² для проволоки диаметром менее 2 мм и 50 … 65 А/мм – для проволоки больших диаметров.

Подаваемая во время наплавки жидкость влияет на скорость охлаждения металла, а следовательно, на глубину зоны термического влияния, на твёрдость наплавленной поверхности и вероятность образования в ней трещин, пор и устойчивость процесса наплавки.

Жидкостная среда способствует созданию высокой плотности тока за счёт уменьшения поперечного сечения дуги. Однако объём подаваемой жидкости необходимо строго дозировать, правильно устанавливая зону подачу жидкости.

Увеличение подачи жидкости в зону плавления ведёт к излишнему разбрызгиванию расплавленного металла и ухудшает формирование наплавленных валиков.

Оптимальное количество подаваемой жидкости (0, 25 … 1, 5 л/мин) должно быть подобрано для каждого типа деталей, исходя из условий их работы и требований к наплавленному слою. Наплавку ответственных деталей проволокой ОВС ведут при минимальном расходе жидкости 0, 3 … 0, 4 л/мин.

Целесообразно применять 5 … 6%раствор кальцинированной соды вместо дорогостоящего глицерина.

Наплавляемые поверхности деталей I, II и III групп полезно охлаждать за счёт дополнительной подачи жидкости – 2 л / мин.

Мундштук наплавочной головки устанавливают так, чтобы жидкость исходила из трубыпо касательной к наплавляемой поверхности детали и чтобы не менее 90% её охлаждало наплавляемый слой, а до 10% поступало на наконечник мундштука и электродную проволоку для поддержания ионизации дуги и предохранения наконечника мундштука от перегрева. Вылет электродной проволоки принимают 9 … 12 мм.

При выполнении наплавочных работ возможны случаи несплавляемости электродного материала с металлом детали. Сплавляемость металлов ухудшается с увеличением подачи жидкости, уменьшением шага наплавки. На сплавление оказывает влияние и угол подвода проволоки к поверхности детали и амплитуда вибрации. Большое значение для сплавляемости и качества наплавки имеет полярность дуги.

Для вибродуговой наплавки применяют проволоки диаметром 1, 5 … 2 мм. В этом случае при прямой полярности возникает большая температурная ассиметрия между электродами: электродная проволока чрезмерно перегревается и частично сгорает (потери до 50%), не обеспечивая достаточного сплавления металлов. Лучше применять обратную полярность.

Детали, подлежащие наплавке, должны быть вычищены и вымыты, с наплавляемых поверхностей детали I, II, IV групп слесарно-механической обработкой удаляются выступы и другие неровности более 0, 5 мм; отверстия и каналы заделываются медными или графитными пробками. Чисто отработанные поверхности, не подлежащие наплавке, целесообразно закрыть плотной бумагой или асбестом, чтобы на них не попадали брызги металла.

Расчёт режимов наплавки можно вести с использованием микрокалькулятора. Программа дана в приложении.

8 Отчет о выполненной работе

 

После выполнения лабораторной работы студент представляет письменный отчёт и сдаёт его на следующем занятии преподавателю.

В отчёте должны быть освещены следующие вопросы:

1 Подготовка деталей к наплавке.

2 Выбор режимов наплавки.

3 Описание технологического процесса.

4 Указать преимущества и недостатки вибродуговой наплавки и возможные пути их устранения.

 

9 Контрольные вопросы

 

1 В чем сущность вибродуговой наплавки?

2 Каковы параметры процесса наплавки?

3 Каково назначение и вид охлаждающей жидкости.

4 Недостатки процесса.

5 Какую номенклатуру деталей можно восстанавливать этим способом и разбивка их на группы?

6 Какая электродная проволока применяется при наплавке?

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: