СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗУБА КОВША ЭКСКАВАТОРА
METHOD FOR MANUFACTURING THE TOOTH OF THE EXCAVATOR BUCKET

Изобретение относится к конструктивным элементам экскаваторов и других землеройных машин.
Известен способ отливки зубьев экскаватора (патент RU № 2048255, опубл. 20.11.1995), заключающийся в заливке стали в литейную форму и регулируемом охлаждении одной или двух боковых поверхностей зуба, при котором скорость охлаждения увеличивается в 2,5-10 раз по сравнению с обычной скоростью охлаждения торцевых поверхностей, для повышения износостойкости и обеспечения эффекта самозатачивания зуба в процессе работы.
Недостатком данного способа является низкая твердость и износостойкость литого зуба по сравнению с зубьями, изготовленными методом штамповки.
Известен зуб ковша экскаватора и способ его изготовления (патент RU № 2269628, опубл. 10.06.2004), заключающийся в повышении срока службы и эффекте самозатачивания за счет расположения в стальной отливке зуба на одной из его поверхностей мелких деталей из износостойкого чугуна, предохраняющих стальную основу от интенсивного абразивного износа.
Недостатком данного способа является низкая стойкость износостойкого чугуна к ударным воздействиям, имеющим место при работе зуба ковша экскаватора, что может привести к разрушению изготовленных из него деталей.
Известен способ изготовления зуба землеройной машины (RU №2228409, опубл. 10.05.2004), заключающийся в соединении отдельных элементов зуба, выполненных из различных износостойких материалов, последовательно один в другой при помощи сварки.
Недостатком данного способа является возникновение в зубе послесварочных напряжений, что может привести к преждевременному разрушению зуба в процессе работы.
Известен способ изготовления зубьев ковша карьерного экскаватора (патент CN № 105483344 A, опубл. 13.04.2016), заключающийся в определенном процессе термообработки отливок зуба, состоящем из: нагрева зубьев до 940°С со скоростью 200°С/ч и выдержке при этой температуре 3-4 ч, охлаждении до 630-650°С со скоростью 150°С/ч и выдержке при этой температуре 30-50 минут, охлаждении до 300-320°С и выдержке в печи с соляной ванной на протяжении 150 минут с последующим охлаждением на воздухе.
Недостатком данного способа является необходимость использования сложного термического оборудования, обеспечивающего нагрев и охлаждение зуба с заданной скоростью на трех этапах его термической обработки.
Известен способ изготовления зуба ковша экскаватора (патент CN № 107663614 A, опубл. 06.02.2018), заключающийся в последовательной отливке из сплавов определенного состава держателя зуба и головки зуба, последующей термообработки и сварки двух составных частей при помощи электрода из чугуна с высоким содержанием хрома.
Недостатком данного способа изготовления является возникновение в зубе послесварочных напряжений, что может привести к преждевременному разрушению зуба в процессе работы.
Известен способ изготовления зуба ковша экскаватора (патент CN № 106311945 A, опубл. 11.01.2017), заключающийся в нагреве цилиндрической заготовки с определенными геометрическими параметрами до температуры ковки, предварительного этапа ковки, для придания заготовке приблизительных геометрических форм и заключительного, где с применением специальных штампов формируется окончательная форма зуба, и последующей термообработки, которая заканчивается ступенчатым охлаждением, повышающих показатель прочности на режущей кромке на 12-14% относительно остальной части зуба.
Недостатком данного способа является необходимость применения штампов сложной геометрической формы, для изготовления которых требуется специализированное оборудование.
Известен способ изготовления зуба ковша экскаватора (патент CN №104002099 A, опубл. 27.08.2014), принятый за прототип, заключающийся в нагреве железного слитка, ковке, состоящей из предварительного этапа, для придания заготовке приблизительных геометрических форм и заключительного, где формируется окончательная форма зуба, маркировку, нормализацию и термическую обработку.
Недостатком данного способа является то, что при его применении получаются изделия, у которых верхняя и нижняя половины зуба обладают одинаковой износостойкостью, что приводит к более быстрому изнашиванию нижней половины зуба и его притуплению в процессе работы, сопровождающемуся увеличением энергозатрат на экскавацию породы.
Техническим результатом является повышение износостойкости зуба и снижения энергозатрат на экскавацию породы.
Технический результат достигается тем, что на предварительном этапе ковки заготовке придают форму пятиугольной прямой призмы, высота которой, совпадает с шириной зуба, а основание выполнено из двух частей, одна из которых в виде прямоугольного треугольника с углом при вершине равном половине угла заострения зуба α повторяет форму верхней половины зуба и с противолежащим катетом H, который равен половине высоты зуба, вторая в виде прямоугольной трапеции с меньшим основанием l и большим основанием L, которое равно длине зуба, контактирующим с первой частью по оси симметрии зуба, а наклонная сторона трапеции расположена к оси зуба под углом β, который определяет отношение деформаций верхней и нижней частей поковки, а его величину определяют по формуле:
β = (1,0-2,7) ⋅ α,
значения угла β и длины l взаимосвязаны, и обеспечивают условия равенства объёмов верхней и нижней частей будущей поковки, при этом длину l определяют по формуле:
обл
где k - коэффициент, компенсирующий потери металла при штамповке в зависимости от значения угла β, рассчитывают по формуле:
Способ поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - общий вид зуба ковша экскаватора;
фиг. 2 - общий вид предлагаемой литейной заготовки;
фиг. 3 - общий вид поковки зуба после предварительного этапа ковки;
фиг. 4 - распределение интенсивности пластической деформации металла по сечению поковки зуба, установленное при помощи компьютерного моделирования при β = 25°;
фиг. 5 - значения деформации верхней части поковки в зависимости от угла наклона β;
фиг. 6 - значения деформации нижней части поковки в зависимости от угла наклона β;
фиг. 7 - средние отношения деформаций верхней и нижней части поковки в зависимости от угла наклона β;
фиг. 8 - объем металла, вытекающий в облойную канавку штампа;
фиг. 9 - график зависимости потери относительной массы образцов с различной степенью укова от времени испытания, где:
1 - угол заострения зуба;
2 - длина зуба;
3 - ось симметрии зуба;
4 - ширина зуба;
5 - высота зуба;
6 - посадочная полость;
7 - высота призмы;
8 - длина меньшего основания прямоугольной трапеции;
9 - угол между наклонной стороной трапеции и осью зуба;
10 - половина угла заострения зуба;
11 - большее основание прямоугольной трапеции;
12 - высота прямоугольной трапеции;
13 - половина высоты зуба.
Способ осуществляется следующим образом. Для изготовления зуба ковша экскаватора, с углом заострения зуба 1 (фиг. 1), длиной зуба 2, шириной зуба 4, высотой зуба 5, осью симметрии зуба 3 и посадочной полостью 6 методом литья изготавливается заготовка в форме пятиугольной призмы, где высота призмы 7 (фиг. 2), совпадает с шириной зуба 4. Основание призмы представляет собой совокупность двух геометрических фигур. Первая - прямоугольный треугольник, который повторяет форму сечения верхней половины зуба с углом при вершине равным половине угла заострения зуба 10 и с противолежащим катетом, равным половине высоты зуба 13. Вторая - прямоугольная трапеция с меньшим основанием 8 и большим основанием 11, равным длине зуба 2, контактирующим с большим катетом прямоугольного треугольника по оси симметрии зуба 3. Наклонная сторона трапеции расположена к оси симметрии зуба 3 под углом между наклонной стороной трапеции и осью зуба 9, значение которого определяется из равенства:
где β - угол между наклонной стороной трапеции и осью зуба
Так как значение угла между наклонной стороной трапеции и осью зуба 9 и длины меньшего основания прямоугольной трапеции 8 взаимосвязаны и определяются из условия обеспечения равенства объёмов верхней и нижней частей будущей поковки, то величина длины меньшего основания прямоугольной трапеции 8 рассчитывается по следующей формуле:
где l - длина меньшего основания прямоугольной трапеции;
L - длина зуба;
H - половина высоты зуба.
обл
Так как геометрические размеры верхней части заготовки формируют недостаточный объём для заполнения ручья пуансоном за счет того, что часть металла заготовки вытекает в облойную канавку штампа, в зависимости от угла наклона длина 8 умножается на коэффициент компенсации потери металла на облой k, определяемый по формуле:
1
1
1
Затем заготовка помещается в печь, где происходит ее нагрев до оптимальной начальной температуры ковки T, характерной для каждой марки стали. Время нагрева t в часах от 0°С до температуры T рассчитывается по формуле:
где D - высота заготовки, м;
k - коэффициент, равный 10 для железа и мягкой стали и 20 - для высоколегированной стали.
Далее следует предварительный этап ковки, на котором заготовка извлекается из печи и в нагретом состоянии подвергается ковке на штамповочной машине или ковочном прессе с приобретением внешнего очертания готового зуба ковша экскаватора, с углом заострения зуба 1 (фиг. 3), длиной зуба 2, осью симметрии зуба 3, шириной зуба 4 и высотой зуба 5. При помощи специально спроектированной геометрической формы заготовки, течение ее материала на этой стадии ковки приводит к формированию в объеме верхней половины поковки зоны повышенной интенсивности пластической деформации металла, установленной при помощи компьютерного моделирования на фиг. 4.
На заключительном этапе ковки в заготовке формируется полость, представляющая собой посадочное место для соединения с ковшом экскаватора и происходит обрезка выдавленного из полости объема металла с приобретением зубом своей окончательной формы.
После этого поковка извлекается из полости штампа и подвергается закалке путем погружения в охлаждающую жидкость.
2
Затем производится низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С в течение времени t, рассчитываемого по формуле:
2
где t - продолжительность низкотемпературного отжига, мин;
δ - время в минутах, принимаемое равным высоте заготовки, выраженной в мм.
После завершения термической обработки зуб проходит этапы пескоструйной очистки, с целью удаления с поверхности продуктов окисления, и дефектоскопии, на котором происходит поиск дефектов на поверхности зуба.
В результате интенсивной высокотемпературной пластической деформации в сочетании с быстрым охлаждением металл нижней, подвергающейся наибольшему износу, половины зуба получает повышенную интенсивность пластической деформации, сохраняющуюся при охлаждении и закалке, что обеспечивает придание этой половине зуба износостойкости, превышающей в 1,5 - 1,7 раз износостойкость верхней половины, вследствие чего обе половины зуба в процессе эксплуатации будут изнашиваться с одинаковыми скоростями с сохранением зубом своей первоначальной формы, т.е. будет обеспечиваться эффект самозатачивания зуба.
Способ поясняется следующим примером.
Требуется изготовить зуб ковша экскаватора, с шириной зуба 4 = 150 мм, длиной зуба 2 = 525 мм, высотой зуба 5 = 292 мм, углом заострения зуба 1 = 30°С и посадочным отверстием 6.
Для изготовления зуба ковша экскаватора методом литья изготавливается заготовка, из стали 110Г13Л, как материала широко применяемого для изготовления зубьев ковшей экскаватора, в форме пятиугольной призмы c высотой призмы 7 = 150 мм. Основание призмы представляет собой совокупность двух геометрических фигур. Первая - прямоугольный треугольник, повторяющий форму верхней половины зуба с углом при вершине равным половине угла заострения зуба 10 = 15°С и с противолежащим катетом, равным половине высоты зуба 13 = 146 мм. Вторая - прямоугольная трапеция с меньшим основанием 8 и большим основанием 11, равным длине зуба 2 = 525 мм, контактирующим с большим катетом прямоугольного треугольника по оси симметрии зуба 3. Так как на основании проведенных экспериментов, результаты которых представлены на фиг. 5 - фиг. 7, значение угла 9 между наклонной стороной трапеции и осью зуба 9 определяет отношение деформации верхней и нижней частей поковки, то для обеспечения наибольшей разницы между степенью деформации обеих частей поковки и, как следствие, равномерной скорости изнашивания зуба, величина угла принимается равной 25°.
В связи с проведенным анализом потерь металла в процессе штамповки, результат которого представлен на фиг. 8, геометрические размеры верхней части заготовки формируют недостаточный объём для заполнения ручья пуансона за счет потери объема металла заготовки, который вытекает в облойную канавку штампа. Коэффициент компенсации потери металла на облой рассчитывается по формуле 3 и принимается равным 0,875. Таким образом, значение длины меньшего основания прямоугольной трапеции 8 составляет 291,85 мм.
1
1
1
Затем заготовка помещается в печь, где происходит ее нагрев до оптимальной начальной температуры ковки T, которая для стали 110Г13Л составляет 1150°С. Время нагрева t в часах от 0°С до температуры T рассчитывается по формуле Доброхотова и составляет:
Далее следует предварительный этап ковки, на котором заготовка извлекается из печи и в нагретом состоянии подвергается ковке на штамповочной машине или ковочном прессе с приобретением внешнего очертания готового зуба ковша экскаватора, с углом заострения зуба 1 (фиг. 3), длиной зуба 2, осью симметрии зуба 3, шириной зуба 4 и высотой зуба 5.
При помощи специально спроектированной формы заготовки, течение ее металла на этой стадии ковки приводит к формированию в верхней половине зуба зоны повышенной интенсивности пластической деформации металла.
На заключительном этапе ковки в заготовке формируется полость, представляющая собой посадочное место для соединения с ковшом экскаватора, после чего происходит обрезка выдавленного из полости объема металла с приобретением зубом своей окончательной формы.
После этого поковка извлекается из полости штампа и подвергается закалке путем погружения в охлаждающую жидкость (воду).
После чего производится низкотемпературный отпуск при температуре 200°С в течение времени
После завершения термической обработки закаленный зуб проходит этапы пескоструйной очистки, с целью удаления с поверхности продуктов окисления, и дефектоскопии, на котором происходит поиск дефектов на поверхности зуба.
2
2
Из сравнения результатов, представленных в табл. 1 и фиг. 9, испытаний образцов стали 110Г13Л на абразивную износостойкость при изнашивании по высокоабразивной искусственной породе - электрокорунду видно, что высокотемпературное деформирование стали перед закалкой способствует повышению ее износостойкости, возрастающей с увеличением интенсивности деформации, степени укова, α: для образца деформированного с максимальной интенсивностью, образец № 2 α = 2,25 по сравнению с №5 α = 0, этот параметр возрастает на 66%, 0,48 мммин/мг по сравнению с 0,29 мммин/мг.
Таблица 1 - Результаты испытаний на абразивную износостойкость образцов стали 110Г13Л после различных способов термичесой обработки
№ образца
Способ обработки
Степень укова, α
ΣΔm/S, мг/мм<sup>2</sup> за время t, мин
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
1
Закалка с температуры ковки
2,25
2,20
3,86
5,62
6,97
8,32
9,60
10,74
2
Закалка с температуры ковки
2,25
2,12
3,74
5,08
6,09
7,13
8,12
8,88
3
Закалка с температуры ковки
1,56
2,18
3,80
5,36
6,72
8,65
9,97
11,23
4
Закалка с температуры ковки
1,56
2,01
3,37
5,05
6,68
7,96
9,12
10,34
5
Нагрев и выдержка при 1150°С с последующей закалкой
-
2,17
4,06
5,91
7,87
9,66
10,99
12,77
6
Нагрев и выдержка при 1150°С с последующей закалкой
-
2,09
3,84
5,73
7,28
8,94
10,62
12,10
Таким образом, в результате интенсивной высокотемпературной пластической деформации в сочетании с быстрым охлаждением металл нижней половины зуба, подвергающейся наибольшему износу, половины зуба получает повышенную интенсивность пластической деформации, сохраняющуюся при охлаждении и закалке, что обеспечивает придание этой половине зуба износостойкости, превышающей износостойкость верхней половины, вследствие чего обе половины зуба в процессе эксплуатации будут изнашиваться с одинаковыми скоростями с сохранением зубом своей первоначальной формы, т.е. будет обеспечиваться эффект самозатачивания зуба.