Теоретический анализ влияния элементов режима наплавки колеблющимся электродом на формирование металлопокрытия при восстановлении деталей

Секция 4

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ

УДК 629.113.004.67

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РЕЖИМА НАПЛАВКИ КОЛЕБЛЮЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ НА ФОРМИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОПОКРЫТИЯ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ

Представлена методика расчета толщины металлопокрытия. Показаны математические зависимости и сделаны соответствующие выводы.

Восстановление, наплавка, кинематика процесса, толщина металлопокрытия

THEORETICAL ANALYSIS OF INFLUENCE WELDING-UP REGIME ELEMENTS BY A HESITANT ELECTRODE ON THE FORMATION OF METAL COATINGS FOR RECOVERY

PARTS

A method of calculating the thickness of the metal coating. Showing mathematical

relationships and make appropriate.

Rebuilding, welding-up, kinematics of process, thickness of the metal

В современных технологиях восстановления изношенных деталей основную роль играют наплавочные металлопокрытия. В то же время получила распространение широкослойная наплавка рабочих поверхностей колеблющимся электродом (рис. 1а, 1б). Ее применение позволяет избежать многих недостатков, свойственных традиционным методам наплавки по винтовой линии, а именно уменьшить вероятность возникновения трещин и пор в металлопокрытиях, повысив тем самым надежность восстановленной детали [1].

А.С. Денисов, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина

A.S. Denisov, B.F. Tugushev, E.Yu. Gorshenina

а

б

Рис. 1. Поверхность шейки распределительного вала двигателя ВАЗ с металлопокрытием, нанесенным широкослойной наплавкой колеблющимся электродом: фронтальный (а) и боковой (б) виды

Для получения эффективного технологического процесса, применяя широкослойную наплавку колеблющимся электродом, необходимо решить вопрос обеспечения достаточных величин припусков на последующую механическую обработку поверхностей. В связи с этим возникает потребность определения функциональной зависимости между основными элементами режима широкослойной наплавки и геометрическими характеристиками покрытия.

Кинематика процесса широкослойной наплавки цилиндрической поверхности детали произвольного профиля описывается уравнением

УН = У1 + У2:

где ун - вектор скорости наплавки; у1 - вектор линейной скорости вращательного движения точки, расположенной в зоне наплавки; У2 - вектор скорости движения наплавочной горелки. В силу того, что у ^ У2, уравнение (1) в скалярной форме приобретает вид:

2 2 Ун =д/ VI + у

где ун , у, у2 - модули соответствующих векторов скоростей.

Линейную скорость вращательного движения точки, расположенной в зоне наплавки (рис. 2), можно определить по формуле

у = С1  \ЕF|,

где С1 - мгновенная угловая скорость вращения наплавляемой поверхности;

|Ер| - длина радиус-вектора, проведенного из мгновенного центра вращения детали до точки,

расположенной в зоне наплавки.

Уравнение для средней скорости возвратно-поступательного движения наплавочной горелки, в соответствии с [2], имеет вид:

V-,

— ю2 р

где у2 - средняя скорость возвратно-поступательного движения наплавочной горелки; и - ширина наплавляемого участка; С02 - угловая скорость вращения вала привода механизма перемещения горелки.

Рис. 2. Кинематическая схема вращательного движения наплавляемой поверхности

Подставляя в уравнение (2) выражения для скоростей из формул (3) и (4), получим зависимость для средней скорости наплавки:

ун =

С  \ЕР\ + —^ С ,

р

где ун - средняя скорость наплавки.

и

2

В частном случае при применении кривошипно-шатунного механизма перемещения горелки, мгновенная скорость ее возвратно-поступательного движения относительно наплавляемой поверхности (рис. 3) определяется в соответствии с уравнением [3]:

(

\ОН[о)2-

\ОН\

Ш\

л

вт 2 <р

где \ОН\ - величина радиуса кривошипа; ф - угол поворота кривошипа; \СН\ - длина шатуна.

V

2

I

Рис. 3. Кинематическая схема возвратно-поступательного движения наплавочной горелки С учетом формул (3) и (6), выражение (2) принимает вид:

(

Ш • ЕГ + ОН' ш2

+ 0,5 •

\ои\

Бт 2ф

В дальнейших рассуждениях, при выводе математической зависимости толщины слоя, наносимого при широкослойной наплавке колеблющимся электродом, от основных параметров процесса, будем использовать аппарат дифференциального исчисления.

Положим, что на элементарно малом участке поверхности площадью оГ наплавлен объем металла, равный ОУ . Тогда зависимость между этими величинами может быть представлена дифференциальным уравнением

ОУ - И • ОГ = 0,

V

Н

где ОУ - дифференциал функции объема наплавленного металла; И - толщина наплавленного покрытия; ОГ - дифференциал функции площади наплавляемой поверхности.

В свою очередь, наплавка элементарно малого участка поверхности площадью ОГ происходит в результате нанесения покрытия с определенным шагом наплавки и за определенное количество двойных ходов горелки. То есть в рассматриваемом случае это можно представить в виде

ОГ - и • s • йп5 = 0,

где 5 - шаг наплавки; Оп5 - дифференциал функции количества двойных ходов наплавочной горелки.

Для упрощения реальной ситуации принимаем схему наплавки с условной траекторией движения электрода по наплавляемой поверхности (рис. 4). По принятым допущениям участок такой поверхности представлен в виде прямоугольника КАСМ .

Рис. 4. Условная схема наплавки с траекторией движения электрода по наплавляемой поверхности

В первом приближении (при У1 << У2, что соответствует реальным условиям широкослойной наплавки) можно принять траекторию движения электрода относительно наплавляемой поверхности в виде ломаной линии, элементами которой являются отрезки [АВВ] и [ВС]. Тогда количество двойных ходов горелки может быть представлено формулой

s \AB\ + | BC\'

где ns - количество двойных ходов наплавочной горелки; vHT - технологически необходимая скорость наплавки; t - время наплавки; |AB|, |BC| - длины соответствующих элементов траектории

движения электрода, составляющих двойной ход. Из рис. 4 видно, что

AB = BC

1

2 S

u +— . 4

Таким образом уравнение (10) можно представить в виде:

ns =

VHT •t

л/4 • u2 + s2

Дифференцируя это уравнение по dt, получим:

dnq

HT

dt

л/4 • u2 + s2

В этом случае дифференциал функции количества двойных ходов наплавочной горелки может быть представлен в виде:

уНТ  dt

dnv = , НТ =.

л/4^

2 , 2 u + s

Здесь справедливым является уравнение

vHT • dt dnQ - НТ

л/ 4 • u2 + s2

= 0.

При условии применения в качестве наплавочного материала электродной проволоки, пусть за элементарно малый промежуток времени наплавки dt ее израсходованный объем будет составлять dVПР . Тогда расход наплавочного материала будет описываться дифференциальным уравнением

dV,

ПР

0,25pd2 • vnp • dt = 0,

где dVпР - дифференциал функции объема проволоки, израсходованной на наплавку; d - диаметр электродной проволоки; УПР - скорость подачи проволоки; dt - элементарно малый промежуток времени наплавки.

Следует учесть то положение, что при дуговой наплавке не весь объем подаваемого электродного материала переходит в объем наносимого металлопокрытия. Здесь имеет место разбрызгивание расплавленного металла, а также стекание с наплавляемой поверхности. Поэтому справедливым является выражение

dV -]• dVпР = 0,

где ] - коэффициент эффективности наплавки.

Выражения (8), (9) и (15) являются дифференциальными уравнениями первого порядка в полных дифференциалах. Решая эти три уравнения совместно относительно dV , получим:

dV = u  s  h

vHT  dt V4  u2 + s2

Выражения (16) и (17) также являются дифференциальными уравнениями в полных дифференциалах. Их совместное решение относительно dV имеет вид:

dV = 0,25 p  d2  h  vПР  dt.

Приравнивая правые части уравнений (18) и (19) и выражая из полученного равенства толщину наплавленного слоя, будем иметь зависимость:

•л/ 4 - и2 + ^2

--Т.

h =Р d 2  vnp

4  u  s  v

HT

Вывод формулы (20), основанный на анализе дифференциальных уравнений, позволил определить выражение для к в общем виде вне зависимости от того, являются ли основные входящие в него параметры стационарными, либо они нестационарные.

Для обеспечения технологически необходимой скорости наплавки должно соблюдаться условие:

HT

H

В частности, при использовании кривошипно-шатунного механизма привода наплавочной горелки для осуществления ее возвратно-поступательного движения, принимая скорость наплавки УН из формулы (7) равной технологически необходимой скорости наплавки УНТ в выражении (20), можно аналитически определить толщину наносимого металлопокрытия в любой точке образующей по всей ширине наплавляемой поверхности. Все это позволяет учесть величины эксплуатационного износа и припуски на последующие после наплавки операции термической и механической обработки восстанавливаемой поверхности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Денисов А.С. Анализ эксплуатационных дефектов коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина, А.А. Видинеев // Ремонт, восстановление, модернизация. 2010. № 6. С. 30-38.

2. Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей / А.И. Колчин, В.П. Демидов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1980. 400 с.

3. Автомобильные и тракторные двигатели. Ч. II. Конструкция и расчет двигателей / под ред. И М. Ленина. М.: Высш. шк., 1976. 280 с.

Денисов Александр Сергеевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.

Тугушев Борис Федорович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Alexander S. Denisov -

Dr. Sc., Professor,

Head of the Department «Automobiles

and automotive enterprise"

Gagarin Saratov State Technical University

Boris F. Tugushev -

Ph. D., Associate

Professor of the Department «Automobiles

and automotive enterprise"

Gagarin Saratov State Technical University

Горшенина Екатерина Юрьевна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Ekaterina Yu. Gorshenina -

Ph. D., Associate

Professor of the Department «Automobiles

and automotive enterprise"

Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13