Анализ формы зоны контакта проволоки с деталью при электроконтактной наварке проволокой конических поверхностей деталей

УДК 621.791

АНАЛИЗ ФОРМЫ ЗОНЫ КОНТАКТА ПРОВОЛОКИ С ДЕТАЛЬЮ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ НАВАРКЕ ПРОВОЛОКОЙ КОНИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

И.Н. Зыбин, В.В. Булычев, А. А. Никитин

Выполнено моделирование процесса деформирования проволоки при формировании единичного валика наваренного металла в процессе ЭКНП конических поверхностей деталей. Получены зависимости, позволяющие описать форму и определить площадь зоны контакта проволоки с деталью. Проведенные экспериментальные исследования по наварке единичного валика металла показали возможность использования полученных теоретических зависимостей для описания формы зоны контакта проволоки с деталью при наварке конических поверхностей деталей.

Ключевые слова: электроконтакная наварка проволокой, зона контакта, деформирование проволоки, конические поверхности деталей.

Одной из ресурсосберегающих технологий восстановления наружных поверхностей деталей машин широкой номенклатуры является электроконтактная наварка проволокой (ЭКНП). По сравнению с традиционными дуговыми способами восстановления наварка отличается небольшим тепловложением в основной металл, возможностью восстановления деталей диаметром от 10 мм и более, малым припуском на последующую механическую обработку и т.д. Кроме того, применение относительно недорогих проволок различного химического состава позволяет регулировать свойства и структуру наваренного металла.

Практический опыт применения технологии ЭКНП для восстановления наружных поверхностей деталей типа "вал" и "втулка" показал, что наряду с цилиндрическими поверхностями деталей, требующих своего восстановления, возникает необходимость в восстановлении и наружных конических поверхностей. Угол конуса восстанавливаемых конических поверхностей деталей в большинстве случаев, как правило, находится в диапазоне от 0° до 30° [1].

Прочность соединения основного и присадочного металлов при ЭКНП взаимосвязана с количеством теплоты, выделяемой в зоне формирования соединения металлов. Для анализа электротепловой обстановки в зоне контакта проволоки с конической поверхностью детали, а также определения различных параметров процесса (например, величины перекрытия соседних валиков металла) необходимо знать форму и площадь зоны контакта проволоки с деталью.

В настоящее время в литературе имеются теоретические зависимости, позволяющие описать форму и вычислить площадь контакта проволоки с цилиндрической поверхностью детали при ЭКНП, причем как при контакте одной проволоки с деталью [2-7], так и двух проволок с деталью [8]. Представленные в этих работах зависимости базируются на допуще-

338

нии, что кривая, характеризующая развертку зоны контакта проволоки с деталью, описывается эллипсом. Такая форма разверток зоны контакта подтверждена экспериментами и моделированием на пластических моделях [6]. Однако зависимости, позволяющие описать форму и вычислить площадь зоны контакта проволоки с конической поверхностью детали, когда валик наваренного металла в своем поперечном сечении характеризуется неравномерной осадкой (рис. 1), в настоящее время отсутствуют.

Рис. 1. Валик наваренного металла при ЭКНП конической поверхности детали: 1 - роликовый электрод; 2 - валик наваренного металла; 3 - деталь; S1 - осадка вблизи большей кромки валика металла;

а - угол наклона рабочей поверхности электрода к поверхности

детали

В связи с этим определение зависимостей, позволяющих описать форму зоны контакта проволоки с деталью и определить площадь этой зоны контакта при восстановлении наружных конических поверхностей деталей ЭКНП, является актуальной задачей.

В связи с небольшими размерами зоны контакта проволоки с деталью при ЭКНП, и сложностью определения этих размеров непосредственно в процессе наварки для анализа формы зоны контакта проволоки с деталью было выполнено компьютерное моделирование процесса деформирования проволоки с использованием программного комплекса Deform 3D. Данный комплекс является эффективной системой для моделирования трехмерных процессов пластического деформирования металлов с использованием метода конечных элементов.

Осадка проволоки S1 находилась в диапазоне 50%...70%. Нижняя граница осадки проволоки выбрана исходя из возможности качественного выполнения наварки единичных валиков, обеспечивающей отсутствие шелушения наваренного металла и отслаивания наваренного металла от основного при последующей механической обработке. Верхняя граница осадки проволоки выбрана исходя из возможности применения режимов наварки, при которых отсутствуют поры, трещины и раковины в наваренном металле. При этом наварка выполняется в твердой фазе при отсутствии касания и внедрения электрода в деталь.

339

Угол а находился в интервале 0°...7°, что обеспечивает отсутствие касания и внедрения электрода в деталь при выбранном диапазоне осадки проволоки. При больших углах а с целью предотвращения касания и внедрения электрода в деталь следует применять технологические варианты наварки конических поверхностей деталей, рассмотренные в работе [9]. Диаметр детали в центре деформирования проволоки находился в диапазоне 50.100 мм. Ширина рабочей поверхности электрода 8 мм, а диаметр электрода 250 мм. Диаметр проволоки составлял 2 мм. Геометрическая модель процесса деформирования проволоки представлена на рис. 2.

3 2 1

Рис. 2. Геометрическая модель процесса деформирования проволоки: 1 - деталь; 2 - проволока; 3 - роликовый электрод

В качестве материала проволоки при моделировании принималась сталь с содержанием углерода 0,08%, как наиболее близкая к сварочной проволоке Св-08Г2С, широко используемой для восстановления поверхностей деталей ЭКНП, а температура нагрева проволоки принималась 900°С. Для упрощения расчетов материал электрода и детали принимались неде-формируемыми. Для моделирования процесса деформирования проволоки задавалось перемещение электрода в направлении, перпендикулярном оси детали с заданным шагом. Величина и количество шагов моделирования задавались исходя из обеспечения требуемой осадки проволоки.

Анализ полученных результатов деформирования присадочной проволоки на цилиндрической и конической поверхностях детали показал следующее. С увеличением угла наклона рабочей поверхности электрода к поверхности детали при неизменной осадке проволоки е1, форма кривой, описывающая развертку зоны контакта проволоки с деталью, изменяется от эллиптической (деформирование проволоки на цилиндрической поверхности) к форме близкой к овалу (деформирование проволоки на конической поверхности). Это можно объяснить неравномерной осадкой проволоки в ее поперечном сечении вследствие наличия угла наклона рабочей поверхности электрода к поверхности детали. При постоянном угле а, отличном от нуля, с увеличением осадки проволоки развертка зоны контакта проволоки с деталью также близка к форме овала.

В качестве примера на рис.3 показаны развертки зоны контакта проволоки с деталью, полученные при моделировании деформирования проволоки на цилиндрической (а =0°, рис. 3,а) и конической (а =5°, рис. 3,б) поверхностях детали диаметром 75 мм в месте деформирования.

340

Рис. 3. Развертки зоны контакта проволоки с деталью, полученные при моделировании процесса деформирования проволоки: а) а =0°, осадка проволоки г =60%; б) а =5°, осадка проволоки 81 =60%;

1,2 - эллипсы; А, Б - точки пересечения эллипсов 1 и 2; Ь - длина зоны деформации проволоки; Ь и Ь1 - ширина зоны контакта проволоки

с деталью при а =0° и а =5° соответственно

Длина зоны деформации проволоки, найденная при моделировании процесса деформирования проволоки при осадке проволоки 60% составила Ь =8,3 мм, а ширина зоны контакта проволоки с деталью: а =0° Ь =4,4 мм, а при а =5° ^=4,9 мм.

Форму границы зоны контакта проволоки с деталью, близкую к овалу, целесообразно описать достаточно простыми математическими зависимостями, удобными для их практического использования.

С учетом этого предложено описывать развертку зоны контакта проволоки с деталью при ЭКНП конических поверхностей деталей двумя эллипсами, пересекающимися между собой в точках А и Б (рис. 3). Причем эллипс 1 описывает границу зоны контакта проволоки с деталью при а =0° (осадка проволоки г при наварке на цилиндрическую поверхность образца принимается равной осадке 8! при наварке на коническую поверхность образца). Малой осью данного эллипса является ширина зоны контакта проволоки с деталью Ь, а большой осью - удвоенная длина зоны деформации проволоки Ь. У второго эллипса 2 малой осью является ширина зоны контакта проволоки с деталью Ь при а^0°. Большой осью эллипса также является удвоенная длина зоны деформации проволоки Ь. При этом граница зоны контакта проволоки с деталью при наличии угла а характеризуется сочетанием верхней части эллипса 1 и нижней части эллипса 2

341

относительно оси х, пересекающихся в точках А и Б (рис. 3,б). Это позволяет для описания границы зоны контакта проволоки с деталью использовать простые математические зависимости, например, в параметрической форме:

Ь

х

У

— ооб ф 2

Ь .

'- —Б1П ф , 2

Р 2

£

ф<р

Ь

х = — ооб ф 2

с

У

V

1 Ь Ь - —

1 2

Б1И ф ,

у

3

Р<ф<—р 2

Длину зоны деформации проволоки Ь можно определить расчетным путем по известной зависимости, представленной в работах [10-12] по прокатке стальной проволоки. Ширину зоны контакта проволоки с деталью при ЭКНП цилиндрических поверхностей Ь и конических поверхностей Ь1 деталей можно определить по зависимостям, представленным в работах [1, 13, 14].

Таким образом, определив форму зоны контакта проволоки с деталью, ее площадь £ можно вычислить как сумму площадей £ и £ 2 поверхностей (рис.3,б), описываемых кривыми по формулам (1) и (2) соответственно:

Ь

п

п

п

£ = £1 + £2 =— ЬЬ +- Ь--Ь = — Ь]Ь

16 8 ^ 2) 8

Отметим, что при углах наклона рабочей поверхности электрода к поверхности детали, не превышающих 2°...3°, при различной осадке проволоки из рассматриваемого диапазона ее изменения между значениями ширины контакта проволоки с цилиндрической и конической поверхностью детали погрешность не превышает 5%. Это позволяет с целью упрощения расчетов по определению формы зоны контакта проволоки с конической поверхностью детали развертку этой зоны рассматривать в виде эллипса. Тогда ширину и площадь зоны контакта проволоки с деталью можно определять без учета угла наклона рабочей поверхности электрода к поверхности детали, т.е. как при наварке цилиндрических поверхностей деталей.

Для оценки возможности использования предложенных формул для описания геометрии зоны контакта проволоки с деталью были выполнены экспериментальные исследования по наварке единичного валика металла. Выполнялась наварка образцов из стали 45 сварочной проволокой Св-08Г2С диаметром 2 мм. Диаметр детали в месте наварки находился в диапазоне 50.100 мм. Углы наклона рабочей поверхности электрода к поверхности детали находились в диапазоне от 0° до 7°. Осадка проволоки 81 находилась в диапазоне 50.70%. Режимы наварки подбирались исходя из условия обеспечения осадки проволоки в вышеуказанном диапазоне. Геометрия зоны контакта рассматривалась в месте обрыва проволоки в конце наварки, т.к. здесь наиболее четко выражена граница зоны контакта проволоки с деталью.

Проведенные эксперименты по наварке единичного валика металла подтвердили то, что форма зоны контакта проволоки с деталью при наварке конических поверхностей деталей отличается от эллиптической.

Пример развертки зоны контакта проволоки с деталью при а =5°, осадке 81=60%, полученной при наварке единичного валика металла на поверхность детали диаметром 75 мм и рассмотренной также при моделировании процесса деформирования проволоки (рис. 3,б), представлен на рис. 4. На данном рисунке также показаны кривые, ограничивающие зону контакта проволоки с деталью, полученные при моделировании процесса деформирования проволоки с помощью формул (1) и (2).

Из рис. 4 видно, что форма зоны контакта проволоки с деталью отличается от эллиптической и близка по форме к кривым, описываемыми с помощью формул (1) и (2).

Сравнение результатов, полученных при моделировании процесса деформирования проволоки с экспериментальными данными, полученными при наварке единичного валика металла, свидетельствует о возможности использования формул (1) и (2) для описания формы зоны контакта проволоки с деталью при наварке единичного валика металла.

"1 I I I I

J

Рис. 4. Развертка зоны контакта проволоки с деталью: 1 - место

отрыва проволоки; 2 и 3 - граница зоны контакта проволоки с деталью, описанная с применением формул (1) и (2), полученная при действии первого и второго импульсов сварочного тока соответственно; 4 - наваренный валик металла

343

Выводы

1. В результате моделирования процесса деформирования проволоки получены зависимости, позволяющие описать форму и вычислить площадь зоны контакта проволоки с деталью при ЭКНП конических поверхностей деталей.

2. Сравнение теоретических и экспериментальных данных показало возможность использования полученных при моделировании процесса деформирования проволоки зависимостей для определения геометрии зоны контакта проволоки с деталью при наварке конических поверхностей деталей.

Список литературы

1. Зыбин И.Н. Разработка технологии электроконтактной наварки проволокой наклонными электродами: дис. ... канд. техн. наук. М., 2003. 197 с.

2. Нафиков М.З. Обоснование технологических процессов и разработка технических средств восстановления автотракторных деталей электроконтактной наплавкой: дис. ... д-ра техн. наук. Уфа, 2010. 373 с.

3. Зайнуллин А. А. Повышение эффективности восстановления валов сельскохозяйственной техники электроконтактной приваркой стальных проволок путем совершенствования технологии и оборудования: ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук. Уфа, 2013. 19 с.

4. Загиров И.И. Совершенствование технологии восстановления автотракторных деталей типа "вал" электроконтактной наплавкой проволокой: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Уфа, 2008. 16 с.

5. Расчет геометрических размеров контакта между присадочной проволокой и электродом при электроконтактной наплавке / Л.Н. Соколов, В.Т. Катренко, В.А. Пресняков, В.Н. Астахов // Сварочное производство. 1987. № 10. С. 43 - 44.

6. Нафиков М.З. Формирование сплошного металлопокрытия при электроконтактной наплавке валов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. № 9. С. 24 - 29.

7. Нафиков М.З., Загиров И.И. Расчет параметров формирования соединения при электроконтактной наплавке (наварке) проволоки // Сварочное производство. 2008. № 8. С. 15 - 20.

8. Нафиков М.З., Зайнуллин А.А. Определение площади контакта при восстановлении валов приваркой двух стальных проволок // Роль науки в инновационном развитии АПК: материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения известного учёного, профессора А.П. Иофинова. Уфа: Изд-во Башкирский ГАУ, 2012. С. 116 - 120.

9. Зыбин И.Н., Коваленко А.С. Особенности восстановления конических поверхностей деталей электроконтактной наваркой проволокой // Научный альманах. 2016. № 6-2(19). С.57-63 [Электронный ресурс]. URL: http://ucom.ru/doc/na.2016.06.02.057.pdf (дата обращения 20.12.2017).

344

10. Клименко В.М., Онищенко А.М. Кинематика и динамика процессов прокатки. М.: Металлургия, 1984. 232 с.

11. Теория прокатки: Справочник / А.И. Целиков, А. Д. Томленов, В.И. Зюзин, А.В. Третьяков, Г.С. Никитин. М.: Металлургия, 1982. 334 с.

12. Целиков А.И., Никитин Г.С., Рокотян С.Е. Теория продольной прокатки. М.: Металлургия, 1980. 319 с.

13. Дубровский В. А., Булычев В.В., Зыбин И.Н. Изменение формы поперечного сечения присадочной проволоки при электроконтактной наплавке // Сварочное производство. 2001. № 6. С. 23 - 27.

14. Дубровский В. А. Создание технологий и оборудования электроконтактной наварки проволокой оплавлением: дис. ... д-ра техн. наук. М., 2006. 217 с.

Зыбин Игорь Николаевич, канд. техн. наук, доц., igor.zyhinamail.ru, Россия, Калуга, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал,

Булычев Всеволод Валерьевич, д-р техн. наук, доц., декан, k4kflaramhler.ru, Россия, Калуга, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал,

Никитин Артем Александрович, магистрант, artem220808@mail.ru, Россия, Калуга, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал

THE ANALYSYS OF THE SHAPE OF THE CONTACT ZONE OF THE WIRE WITH A DETAIL AT ELTCTROCONTACT WELDING OF THE WIRE OF CONIC

SURFACES OF DETAILS

I.N. Zyhin, V. V. Bulychev, A.A. Nikitin

Modeling process of deformation of the wire in the formation of a single roller of welded metal in process of electrocontact welding of the wire of conic surfaces of details. The dependences allowing to describe the shape and to determine the area of the contact zone of the wire with a detail are received. The lead experimental researches on the welding of the single roller of welded metal have shown a possihility of use of the received theoretical dependences for the description of the shape of the contact zone of the wire with a detail at welding of conic surfaces of details.

Key words: electrocontact welding of the wire, contact zone, deformation of the wire, conic surfaces of details.

Zyhin Igor Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, igor. zyhinamail. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University, Kaluga Branch,

Bulychev Vsevolod Valeryevich, doctor of technical sciences, docent, dean, k4kfla ramhler.ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University, Kaluga Branch,

Nikitin Artem Aleksandrovich, master, artem220808@mail.ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University, Kaluga Branch