Введение к работе
Актуальность работы. Детали, периодически соприкасающиеся с горячим металлом, работают в сложных условиях термомеханического нагружения. Исследованию процессов накопления знакопеременных пластических деформаций, образованию трещин термической усталости и разгара, циклически нагреваемой поверхности, посвящены работы: Тылкина М.А., Павлюка С.К., Гох-фельда ДА., Мэнсона С, Вельского Е.И., Витязя П.А., Фрумипа И.М., Юзвенко Ю.А.. На основе детального изучения условий эксплуатации, разработаны высокостойкие наплавочные материалы и современные технологические наплавки.
Современные материалы, соответствующие условиям работы с нагретыми металлами, содержат дорогостоящие легирующие элементы, например вольфрам до 9%, в некоторых из них вольфрам заменяют молибденом - до 15%, а жаропрочные сплавы содержат дефицитный никель, некоторые из них - кобальт. Детали, восстановленные наплавкой такими материалами, имеют долговечность не ниже долговечности новых деталей или превосходят ее.
Необходимость экономии дорогостоящих наплавочных материалов вынудила поставить задачу по снижению их расхода, которая решается в данной работе. Работа, по минимизации объемов наплавленного метачла, велась по следующим направлениям: снижение макронеровностей и уменьшение.припусков при формировании поверхности из наплавленных валиков, за счет разработки способов управления формированием ее геометрии; определение соответствия объемов наплавляемого металла эпюре износа; оптимизация толщины слоя; определение путей устранения набрызгивания при формировании широкослойной наплавки с учетом законов движения колеблющегося элеюрода
Повышение работоспособности и долговечности наплавленных деталей осуществляется за счет выбора химического состава наплавляемого металла, соответствующего по свойствам условиям эксплуатации, обеспечения длительной совместной работы системы «наплавленный металл - основной металл».
В основу работы положен структурно-параметрический синтез, предусматривающий использование математического моделирования процесса наплавки с применением критериев оптимизации и критериев оценки ресурсоемкое процессов дуговой наплавки.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в рамках Республиканской научно-технической программы "Сварка" (9719-1011//2.01 "Создать и освоить в металлообрабатывающих производствах новые материалы, ресурсосберегающие технологии и оборудование для получения высоконадежных сварных изделий и конструкций из сталей, пластмасс, композитов, цветных металлов и их сплавов"), по программе Министерства образования Республики Беларусь "Машиностроение" (ГБ 9618 "Управление формированием тонких слоев при наплавке и разработка процессов получения слоев переменного сечения"), "Металлургия"(ГБ 9714 "Регулирование процесса
распада аустенита в прокаливающихся сталях при наплавке колеблющимся электродом").
Цель и задачи исследований. Целью исследований является снижение расхода наплавочных материалов, электроэнергии и трудозатрат при упрочняющей и восстановительной наплавке деталей и оснастки для обработки горячего металла.
Задачи исследовании:
выявление закономерностей формирования нашгавленной поверхности из отдельных валиков, определеіше путей приближения наплавленной поверхности к номинальной, снижения ее шероховатости и минимизация объемов наплавленного металла;
определение параметров закона перемещения электрода с учетом набрызгива-ния и тепловых условий формирования структуры наплавки;
исследование процесса нагрева детали колеблющимся электродом и установление влияния параметров режимов широкослойной наплавки на процессы распада аустенита и свойства зоны термического влияния;
установление кинетики накопления повреждений в нагретом слое и зоне соединения с основным металлом, определение состава материалов при упрочнении и восстановлении оснастки для обработки горячего металла;
оптимизация технологии восстановления и упрочнения широкослойной наплавкой деталей и оснастки для обеспечения их технологической прочности на основе общего принципа ресурсосбережения.
Объект н предмет исследования. Объектом исследований является технологический процесс широкослойной наплавки рабочей части деталей, периодически соприкасающихся с нагретым металлом. Целью и задачами работы в качестве предмета исследования определена ресурсоемкость и долговечность оснастки для обработки горячего металла, преимущественно ножей для его резки.
Гипотеза. В основу работы положены предположения:
методами аналитического исследования процесса формирования наплавляемой поверхности и приближения наплавленного металла к профилю износа можно снизить параметры шероховатости поверхности и достигнуть уменьшения массы наплавленного металла, электроэнергии и трудозатрат;
среди современных жаропрочных материалов имеются такие, которые наиболее полно соответствуют условиям эксплуатации, чем используемые теплостойкие стали оснастки для обработки горячего металла, причем, в связи с высокой стоимостью этих материалов целесообразно использовать их в биметаллическом шіструменте только в наиболее нагруженных местах с оптимальной толщиной слоя;
- за счет использования наплавки с поперечными перемещениями электрода,
можно расширить область регулирования параметров превращения а—»у-><* и
повысить технологическую прочность прокаливающихся и сильно прокали
вающихся сталей в процессе наплавки.
Результаты математического моделирования и последующая экспериментальная проверка подтвердили правильность предположений и позволили уточнить теоретические положения о процессах формироваши поверхности из отдельных валиков в соответствии с эпюрой износа или требований геометрии детали и повысить работоспособность наплавок в тяжелых условиях термомеханического нагружения.
Методология и методы проведения исследований. Общая методология работы основывалась на системном подходе к анализу процесса наплавки, структурно-параметрическом синтезе. Математическое моделирование процесса наплавки, определение критериев оптимизации ресурсоемкое процесса наплавки, установление теоретических закономерностей, построение математических, геометрических, алгоритмических моделей, выбор способа наплавки, материалов и режимов, исследование процесса на созданных моделях, обработка результатов исследования, оценка целесообразности и экономической эффективности использования способа наплавки и наплавочных материалов положены в основу структурно-параметрического синтеза.
При построении математических моделей формирования наплавленной поверхности и влияния температурных условий наплавки на образование структуры металла зоны термического влияния, определении условий эксплуатации инструмента использован современный математический аппарат (дифференциальное, интегральное исчисление, компьютерные методы исследования моделей). При проведении экспериментальных исследований использовались современные методы определения работоспособности материалов при повышенных температурах и исследования термоциклической долговечности биметаллических деталей (измерение горячей твердости, сопротивления термической усталости наплавленного металла и зоны соединения с основным металлом).
Научная новизна и значимость полученных результатов. Научная новизна работы заключается в выявлении ранее неизвестных закономерностей формирования геометрии наплавленной поверхности, образования структуры и свойств широкослойной наплавки, поведения разнородных соединений в условиях циклического термомеханического нагружения оснастки для обработки горячего металла и состоит в следующем:
впервые, на основе разработанной модели формирования наплавленной поверхности, выявлены зависимости между геометрическими параметрами (шагом наплавки Н, высотой Ь, коэффициентом формы ці, перекрытием Т) и параметрами ее шероховатости (средним шагом неровностей Sm, наибольшей глубиной профиля Ri). Показано, что оптимальный шаг определяется по аналитической зависимости Н = 2acos
исследованием математической модели движения электрода при широкослойной наплавке по траектории, определяемой законом движения аналогового устройства управления, установлена взаимосвязь между геометрическими параметрами устройства управления и параметрами режима наплавки, влияние
скорости, траектории на возникновение набрызгивания металла, оігределеїш граничные значения скорости и ускорения движения электрода до наступления набрызгивания;
-в исследовании модели температурного состояния наплавляемой детали определено влияние траектории, амплитуды и скорости поперечного перемещения электрода на температурное поле и характеристики процесса распада аустени-та в основном металле. Показано, что мгновенная скорость охлаждения зависит от скорости движения источника и амплитуды перемещения источника, которые связаны между собой соотношением —-0,1с"1, причем при — <0,1с"' уменьшается скорость охлажденші и увеличивается время пребывания металла
при температуре выше заданной, а при — > 0.1 с'' - происходит обратное;
- определены температурные условия эксплуатации наплавляемого инструмента, установлены температуры эксплуатации поверхности наплавляемого металла и зоны его соединения с основным и сформулированы условия работоспособности и долговечности: температура нагрева поверхности наплавки не должна превышать температуру потери горячей твердости до уровня 40% от твердости при 293 К, а заданная термоциклическая долговечность зоны соединения может быть достигнута выбором необходимой толщины наплавляемого слоя.
Практическая значимость полученных результатов.
Теоретические, подтвержденные экспериментами выводы и полученные аналитические зависимости существенно корректируют существующие взгляды на выбор основных параметров процесса восстановительной и упрочняющей наплавки и позволяют получить, за счет построения оптимального технологического процесса наплавки, экономию наплавочных материалов, электроэнергии, трудозатрат. Научные результаты доведены до практической реализации в алгоритмах оптимизации технологии наплавки. Разработанные технологические рекомендации по выбору состава и толщины наплавленного слоя с учетом тер-модеформашюшшх циклов этого слоя и полученные аналитические зависимости по заданию траєкторій, скоростей, токовых режимов, геометрических параметров наплавляемой поверхност внедрены на ОКБ "Импульс", заводе КЗТШ при программировании наплавочных роботов для сварки и наплавки плоских и цилиндрических поверхностей массивных деталей. При этом улучшилось формирование поверхности швов и наплавок, снизился расход на 12-20% сварочных и наплавочных материалов за счет приближения площади наплавленного металла к проектным размерам. Рекомендации по расчетному выбору шага наплавки, внедренные на МПО "Химволокно", позволили снизить шероховатость поверхности с Rz=2200 мкм до R2=500 мкм, уменьшить припуски на механическую обработку при восстановлении химического оборудования наплавкой. Разработан ресурсосберегающий технологический процесс наплавки, повышающий долговечность оснастки для обработки горячего металла. Разработана технологическая инструкция по сварке и наплавке тюкалимто-
щхся и сильно прокаливающихся сталей, которая передается зашггересован-ым предприятиям.
Основные положення диссертации, выносимые на защиту:
новое решение проблемы снижения шероховатости наплавленного слоя, а основе впервые разработанной математической модели его формирования з отдельных валиков, определения путей приближения наплавленной поверх-ости к эпюре износа, установления снижения объемов наплавленного слоя еталла с оптимизационным шагом наплавки и параметрами ее режимов;
результаты исследования математической модели и определение пара-етров закона перемещения электрода с учетом набрызгивания и тепловых ус-эвий формирования структуры наплавки;
результаты исследований влияния параметров режимов широкослойной зплавки на процессы распада аустенита и свойства зоны термического влияния і основе разработанной математической модели распространения тепла при зплавке колеблющимся электродом и математической взаимосвязи между па-іметрами, определяющими структуру в зоне термического влияния, траекто-тей, амплитудой, скоростью перемещения электрода и др. параметрами про-;сса;
результаты исследования моделей расчета температурных условий экс-туатащга массивных наплавленных деталей в периодическом контакте с теп-)Н0сителем, расчет температур на поверхности наплавки, на зоне соединения определение необходимой толщины наплавленного слоя из условия ограничил знакопеременного упругоштастического деформирования этой зоны;
механизмы формировагаїя состава, структуры и свойств наплавленного ;талла, накопления повреждений и разрушения при термомеханическом по-іеждении и пути повышения долговечности, применительно к инструменту ія резки горячего металла,
алгоритмы построения технологического процесса наплавки деталей пе-юдически соприкасающихся с горячим металлом.
Личный вклад соискателя. Соискателем лично разработаны основные їложения, приведенные в научной новизне и практической значимости полу-нных результатов, получены, обобщены и научно обоснованы эксперимен-льные данные. В совместных работах автор участвовал на всех этапах их вы-ілнения, в частности, по республиканской программе „Сварка", отраслевым юграммам „Металлургия" и „Машиностроение". Руководителю и консуль-нту принадлежит общая идея работы. Теоретические иселедовашія проводи-сь автором самостоятельно, часть экспериментальных исследований совмест-- с инженерами ЫИСа. Автор являлся ответственным исполнителем госбюд-:тных и НИР, выполнешшх по объекту исследования.
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации доклады-лись и обсуждались на международном симпозиуме по трибофатике (Моск-, 1996), на республиканской научно-технической конференции "Создание ре-рсосберегающих машин и технологий" (Могилев, 1996), на международной
научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии в сварочном производстве" (Могилев, 1998), на международной научно-технической конференции "Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин" (Новополоцк, 1999).
Опубликовашюстъ результатов. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 научных работах, в том числе: 1 статья в международном журнале "Автоматическая сварка"; 1 статьи в сборнике «Сварка»; 5 в материалах сборников международных конференций и симпозиумов; 2 в материалах сборников республиканских конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Полный объем диссертации составляет 170. Она содержит 107 страницы основного текста, 33 рисунка, 125 библиографических ссылок, 3 приложения.