Повышение долговечности деталей электромеханической обработкой

Язык труда и переводы:
УДК:
621.785.545
Дата публикации:
26 мая 2022, 17:16
Категория:
Инновационные технологии ремонта, реновации и восстановления в машиностроении
Авторы
Аннотация:
Рассмотрена проблема износа поверхности стрелы в соединении «отверстие–ось (палец)», связанная с низкими эксплуатационными свойствами поверхностного слоя отверстий. Износ соединения «отверстие–ось (палец)» влечет за собой убытки, вызванные простоем техники. Предлагаемые методы решения проблемы включают в себя финишную электромеханическую обработку. Применение электромеханической обработки позволяет увеличить твердость и повысить износостойкость деталей, что способствует повышению надежности машины, ее ресурса и эффективности работы компаний.
Ключевые слова:
стрела дорожно-строительной техники, электромеханическая обработка, поверхностная закалка, упрочнение, отверстие
Основной текст труда

Введение

Неотъемлемой частью конструкции экскаваторов, погрузчиков и другой дорожно-строительной техники  является стрела. Большинство машин выходят из строя из-за износа поверхности стрелы в соединении «отверстие–ось (палец)», что связано с низкими эксплуатационными свойствами поверхностного слоя отверстий. Износ вызывает нарушение соосности отверстий стрелы и люфт в соединении, что приводит к необходимости ремонта машин.

Перспективными методами повышения износостойкости соединений являются методы, основанные на использовании концентрированных потоков энергии на поверхностный слой деталей. Одним из таких методов является электромеханическая обработка, позволяющая увеличить твердость поверхностного слоя деталей и повысить износостойкость соединений.

Электромеханическая обработка отверстия

Электромеханическая обработка (ЭМО) — это вид поверхностной обработки деталей, основанный на одновременном термическом и силовом воздействии на поверхностный слой обрабатываемой детали. В результате значительно изменяются физико-механические свойства поверхностного слоя, повышается износостойкость и микротвердость [1].

Сущность электромеханической обработки  заключается в том, что в процессе обработки через место контакта инструмента с отверстием детали проходит ток большой силы и низкого напряжения. При этом происходит локальный нагрев зоны обработки детали до температуры фазовых превращений, вследствие чего выступающие микронеровности изделия, под термомеханическим воздействием инструмента, деформируются и сглаживаются, а поверхностный слой металла закаливается [2].

Распространенные на сегодня технологии восстановления отверстий стрелы дорожно-строительной техники (восстановление отверстия с помощью наплавки, запрессовывание ремонтной втулки) основаны на использовании мобильных расточно-наплавочных комплексов и подразумевают восстановление геометрии, но не учитывают необходимость повышения износостойкости восстанавливаемых деталей.

В случае, когда восстановление геометрии отверстий происходит с помощью наплавки, ЭМО проводится после наплавки и расточки под номинальный размер. При использовании же ремонтных втулок планируется заранее упрочнять их с помощью ЭМО, что значительно повысит твердость и износостойкость поверхностного слоя. Наряду с упрочнением восстановленной детали предлагается закаливать отверстия с помощью ЭМО на стадии изготовления изделий.

Основными направлениями практического применения оборудования и технологии ЭМО являются:

  1. Электромеханическая поверхностная закалка
  2. Отделочно-упрочняющая ЭМО
  3. Отделочно-упрочняюще-калибрующая ЭМО
  4. Упрочняющее электромеханическое восстановление
  5. Комбинированные способы обработки

Электромеханическая поверхностная закалка (ЭМПЗ) — один из способов обработки заготовок концентрированными потоками энергии, формирующий высокие показатели качества поверхностного слоя деталей из стали. При ЭМПЗ наибольшее влияние на формирование структуры и, как следствие, свойств поверхностного слоя деталей оказывает температура в зоне контакта «инструмент–поверхность» проходящим электрическим током в результате преобразования электрической энергии в тепловую [3].

Являясь одним из способов контактной обработки заготовок концентрированным потоком электрической энергии, ЭМПЗ характеризуется специфическими особенностями. При ЭМПЗ нагрев–выдержка–деформирование–охлаждение осуществляются в закрытой зоне термомеханического контакта инструмент–заготовка за сотые доли секунды. Температура в зоне обработки достигает 1000…1100 °С и более [4].

При ЭМПЗ наибольшее влияние на формирование структуры и, как следствие, свойств поверхностного слоя деталей оказывает температура в зоне контакта «инструмент–поверхность», проходящим электрическим током в результате преобразования электрической энергии в тепловую [5].

Для сокращения времени термического воздействия и уменьшения непроизводственных потерь электрической энергии при электромеханической поверхностной закалке разработано двухроликовое приспособление, которое позволяет производить нагрев только контактной зоны детали без термического воздействия на остальные участки.

Условия и методика испытаний

ЭМО выполняли на токарно-винторезном станке 16К20 дополнительно оборудованном установкой и приспособлениями для ЭМО. Исследования и испытания выполнены на образцах из стали 40Х в исходном состоянии и после ЭМПЗ.

Испытания на износ образцов выполняли на машине трения ИИ-5018 по схеме диск–колодка. Каждый образец взвешивался до и после испытаний на аналитических весах ВЛА-200М с точностью 0,0001 г. Перед взвешиванием образцы протирали спиртом и сушили в муфельной печи при температуре 60 °С.

Исследования микроструктур исходного и упрочненного образцов проводили на микроскопе GX-51 фирмы OLYMPUS. Исследование микротвердости упрочненной поверхности образцов проводили твердомером МЕТ-У1, при последовательном точении заготовки по диаметру.

Анализ результатов исследований

Исходная сталь 40Х имела ферритно-перлитную структуру. После ЭМПЗ поверхность упрочненного слоя имеет мартенситную структуру при наличии остаточного аустенита. В результате ЭМПЗ твердость исполнительных поверхностей образцов из стали 40Х составила до 6600HV МПа, глубина закаленного слоя — до 1,6 мм. Износостойкость колодки после ЭМПЗ в 1,9 раз выше, чем у неупрочненной колодки. Износостойкость диска после ЭМПЗ в 3,2 раза выше, чем у неупрочненного диска. ЭМО обеспечивает: возможность получения мартенситной структуры и повышение твердости поверхностного слоя сталей; увеличение износостойкости поверхностей; повышение предела выносливости на 30…80 %; повышение прочности на 8…15 %; отсутствие окисления и обезуглероживания поверхностного слоя; отсутствие коробления деталей; снижение себестоимости изготовления деталей в 2...4 раза; закалку на воздухе и без применения охлаждающих жидкостей; экологичность и электробезопасность обработки.

Выводы

Проведенными исследования установлено, что технология упрочнения отверстий стрелы экскаватора ЭМПЗ является перспективной, т. к. позволяет увеличить износостойкость детали, повысить надежность и ресурс работы машины.

Конкурентной особенностью технологии ЭМПЗ является возможность гибкого управления параметрами скоростного контактного электронагрева и одновременного термопластического деформирования материала поверхностного слоя с целью формирования уникальных быстрозакаленных структур, изменения микрогеометрии и текстуры волокон металла поверхности, уменьшения размера зерна.

Литература
  1. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой. Москва, Машиностроение, 1989, 197 с.
  2. Федоров С.К., Федорова Л.В. Электромеханическая обработка. РИТМ, 2012, № 2 (70), с. 14–16.
  3. Alekseeva J.S., Fedorova L.V., Fedorov S.K., Kapustin I.N. Improving the quality of the surface layer of steel parts. Proceeding of 5th International Mechanical Engineering Forum (IMEF), Prague, Czech Republic, 2012, pp. 65–74.
  4. Федорова Л.В., Федоров С.К., Иванова Ю.С., Ломпас А.М. Технологические основы повышения износостойкости деталей электромеханической поверхностной закалкой. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2017, № 9, c. 85–92. https://doi.org/10.18698/0536-1044-2017-9-85-92
  5. Елагина О. Ю. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. Москва, Логос, 2009, 488 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.