Способы электромеханического восстановления, поверхностной закалки, отделочно-упрочняющей электромеханической обработки, дорнования поверхностей сельскохозяйственных машин. Эффективность повышения физико-механических свойств и долговечности деталей.
Аннотация к работе
Повышение долговечности деталей сельскохозяйственной техники электромеханической обработкойВ настоящей работе решена проблема технологического обеспечения и повышения долговечности машин за счет закалки, отделочно-упрочняющей обработки и восстановления наружных и внутренних поверхностей деталей электромеханической обработкой (ЭМО). Предметом исследований являются новые способы электромеханического восстановления (ЭМВ), электромеханической поверхностной закалки (ЭМПЗ), отделочно-упрочняющей электромеханической обработки (ОУЭМО), электромеханического дорнования (ЭМД) поверхностей, позволяющие повысить физико-механические свойства и долговечность деталей. На защиту выносятся следующие научные положения: - теоретические основы формирования геометрии и физико-механических свойств рабочих поверхностей деталей путем нагрева и одновременного выдавливания металла из нерабочей зоны, принудительного перемещения искаженного объема и пластического перераспределения материала поверхностей, изменения структуры и получения градиентных слоев поверхностного слоя деталей машин; Баумана, М.: 1988 г.; НТК “Методы и технические средства обеспечения надежности сельскохозяйственной техники”, НПО ВИСХОМ, М.: 1988 г.; вторая Международная НТК “Новые технологии в машиностроении”, Харьков-Рыбачье, 1993 г.; НТК “Состояние перспективы восстановления и упрочнения деталей машин”, НПО “Ремдеталь”, М.: 1994 г.; Международная НТК “Проблемы повышения качества машин”, Брянск, 1994 г.; II Международная НТК “Современные научно-технические проблемы транспорта России”, Ульяновск, 2002 г.; Международная НПК посвященная 75-летию ФГОУ ВПО МГАУ «Актуальные проблемы агроинженерной науки», М.: 2005 г.; Международная НТК «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» ГОСНИТИ, М.: 2005 г.; Международная НПК «Научные проблемы и перспективы развития восстановления и упрочнения деталей, ремонта, обслуживания машин, работающих в сельском хозяйстве», ФГОУ ВПО МГАУ, 2006 г.; ХІІІ Международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», М.: 2007 г.; Международная конференция выставка «Металлообработка 2008», «Российское инновационное станкостроение. Для определения усилия внедрения инструмента (рисунок 4) и формирования полного профиля резьбы используем формулу: Р = Р1 Р2 Р3 (25) где Р1 - усилие, необходимое для выдавливания металла из зоны основания резьбы; Р2 - усилие, необходимое для перемещения металла вдоль боковых поверхностей инструмента и формирования геометрии резьбы; Р3 - усилие, воспринимаемое инструментом при формировании вершины резьбыАнализ условий эксплуатации, схем нагружения и характерных дефектов поверхностей деталей машин сельскохозяйственной техники свидетельствует об отсутствии в условиях ремонтного производства предприятий АПК и других отраслей экономики РФ эффективных способов повышения долговечности исполнительных поверхностей при их изготовлении и восстановлении. Изучение физико-технических и технологических особенностей различных методов обработки поверхностей позволили обосновать возможность применения технологии ЭМО для закалки, отделочно-упрочняющей обработки и восстановления деталей машин с сохранением геометрических параметров, исключив явления окисления и обезуглероживания поверхностей для многих деталей сельскохозяйственной техники. Экспериментально установлено: при износе до 0,08 мм восстановление наружных цилиндрических поверхностей деталей из качественных конструкционных сталей обеспечивается изменением кристаллической решетки поверхностного слоя металла и глубиной формирования мартенситной структуры; для восстановления поверхности при износе до 0,2 мм необходимо дополнительно осуществить перенос инструментального материала на поверхность детали. Для деталей, обработанных электромеханической закалкой, припуск под финишную механическую обработку минимальный и составляет 0,1…0,3 мм, что связано с отсутствием дефектов окисления, обезуглероживания и коробления поверхностного слоя деталей. Разработаны способы и технические средства для повышения прочности и износостойкости шпоночных и шлицевых поверхностей деталей финишной электромеханической закалкой боковых сторон, без воздействия на зону опасных сечений основания и не нарушая геометрические параметры шпоночных пазов и шлицев (RU 2243070, положительные решения по заявкам 2007103865, 2007103866, 2007103867).
Вывод
1. Анализ условий эксплуатации, схем нагружения и характерных дефектов поверхностей деталей машин сельскохозяйственной техники свидетельствует об отсутствии в условиях ремонтного производства предприятий АПК и других отраслей экономики РФ эффективных способов повышения долговечности исполнительных поверхностей при их изготовлении и восстановлении. Изучение физико-технических и технологических особенностей различных методов обработки поверхностей позволили обосновать возможность применения технологии ЭМО для закалки, отделочно-упрочняющей обработки и восстановления деталей машин с сохранением геометрических параметров, исключив явления окисления и обезуглероживания поверхностей для многих деталей сельскохозяйственной техники.
2. Теоретически обосновано восстановление посадочных мест валов под подшипники качения методами ЭМО. Экспериментально установлено: при износе до 0,08 мм восстановление наружных цилиндрических поверхностей деталей из качественных конструкционных сталей обеспечивается изменением кристаллической решетки поверхностного слоя металла и глубиной формирования мартенситной структуры; для восстановления поверхности при износе до 0,2 мм необходимо дополнительно осуществить перенос инструментального материала на поверхность детали.
3. Теоретически обосновано восстановление резьбы за счет нагрева восстанавливаемых поверхностей электрическим током, пластического перераспределения материала из нерабочей зоны основания на боковые поверхности. Выполнены расчеты объема металла во впадине и определено усилие формообразования геометрических параметров. Электромеханическое восстановление повышает эксплуатационные свойства рабочих поверхностей резьбы, ликвидирует технологические концентраторы напряжений, формирует благоприятную текстуру волокон металла с фазовыми изменениями мелкодисперсной структуры поверхностного слоя, исключает окисление и обезуглероживание поверхностного слоя (RU 1801075, RU 2240908).
4. Металлографическими исследованиями установлено, что электромеханическое восстановление позволяет получить мартенситную структуру поверхностного слоя резьбы, волокна металла вытягиваются вдоль профиля впадины на глубине 0,01 … 0,04 мм, сохраняется исходная структура и свойства нижележащих слоев. Прочность стержня и витков резьбы СПМ10х1-4h болтов крепления крышки шатуна двигателей автомобилей семейства УАЗ и ГАЗ после электромеханического восстановления повышается на 4…12%
5. Разработаны, исследованы и рекомендованы предприятиям АПК способы электромеханической поверхностной закалки гладких цилиндрических поверхностей. Экспериментально установлено повышение микротвердости стали 20 до 38…42 HRC, стали 22ГЮ до 44…48 HRC, стали 35 до 46…50 HRC, стали 40Х (45) до 48…58 HRC, стали 55ПП до 56…62 HRC, У7 до 58…62 HRC, У12 до 62…69 HRC, ХВГ до 65…68 HRC. Для деталей, обработанных электромеханической закалкой, припуск под финишную механическую обработку минимальный и составляет 0,1…0,3 мм, что связано с отсутствием дефектов окисления, обезуглероживания и коробления поверхностного слоя деталей.
6. Разработаны способы и технические средства для повышения прочности и износостойкости шпоночных и шлицевых поверхностей деталей финишной электромеханической закалкой боковых сторон, без воздействия на зону опасных сечений основания и не нарушая геометрические параметры шпоночных пазов и шлицев (RU 2243070, положительные решения по заявкам 2007103865, 2007103866, 2007103867).
7. Разработаны способы и технические средства для повышения прочности и износостойкости зубьев шестерен, валов-шестерен и зубчатых колес, а также зубьев звездочек финишной электромеханической закалкой. Для качественных конструкционных сталей твердость поверхностного слоя составляет до 48…62 HRC, инструментальных сталей до 60…68 HRC на глубине 1,0…2,2 мм.
8. Электромеханическое дорнования тонкостенных втулок (RU 2305028) позволяет производить отделочно-упрочняющую обработку отверстия и обеспечить при этом монтажный натяг в соединении наружного диаметра втулки с отверстием корпуса. При электромеханическом дорновании стальных втулок уменьшается усилие дорнования в 10 раз по сравнению с механическим дорнованием; снижается интенсивность изнашивания в два раза по сравнению с закаленными деталями и в 3-4 раза по сравнению с деталями после механического дорнования. Шероховатость поверхности после ЭМД уменьшается в 15…20 раз, в сравнении с исходной, и составляет 0,54…0,07 мкм. Твердость закаленного поверхностного слоя стали 40Х составляет 48…58 HRC, а ШХ15 - 60…63 HRC.
9. Эксплуатационные испытания деталей, упрочненных и восстановленных электромеханической обработкой, показали увеличение эксплуатационных свойств поверхностей деталей в условиях сельскохозяйственных, перерабатывающих, транспортных, строительных, ремонтных, добывающих, обслуживающих и промышленных предприятий РФ.
Для реализации способов разработана и внедрена конструкторская (RU 2231435, RU 2243080, RU 44114, RU 43644, RU 48062, RU 76274 , RU 2285607, RU 2265065) и технологическая документация на оборудование и процессы ЭМО поверхностей с учетом вида производства, типоразмера, конструктивных особенностей деталей, условий эксплуатации и схем нагружения соединений. Экономический эффект от использования результатов исследований в различных отраслях экономики РФ составил 12 млн. 250 тыс. руб. в год.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах
Монографии
1. Федоров, С.К. Электромеханическое восстановление резьбы [Текст] / С.К.Федоров. - М.: ИЦ - Пресса, 2007. - 129 с. - Библиогр.: с. 120 - 128. - 500 экз. - ISBN 5-87225-055-X. в журналах, рекомендуемых ВАК
2. Аскинази, Б.М. Повышение износостойкости резьбовых сопряжений [Текст] /Б.М. Аскинази, С.К. Федоров //Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1988. -№12. - С. 46.
19. Федоров, С.К. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств резьбовых соединений путем электромеханической обработки деталей [Текст] / С.К. Федоров, Л.В. Федорова // Сб. Вопросы технологии машиностроения: Материалы выездного заседания Головного Совета «Машиностроение» Министерства образования РФ. - Ульяновск: Изд-во УЛГТУ, 2003. - С. 97 - 101.
20. Федоров, С.К. Опыт работы научно-производственной лаборатории электромеханической обработки деталей им. Б.М.Аскинази [Текст] /С.К. Федоров, Л.В. Федорова // Сб. материалов 7-й международной практической конференции-выставки. - СПБ.: Изд-во политехн. университета, 2005.- С. 452 - 457.
21. Федорова, Л.В. Расширение технологических возможностей токарно-винторезного станка [Текст] / Л.В. Федорова, С.К. Федоров // Техника и оборудование для села. - 2005. - № 12. - С. 22-24.
23. Федорова, Л.В. Восстановление силовых редукторов [Текст]/ Л.В.Федорова, С.К. Федоров //Сельский механизатор - 2006.- №3. - С. 42-43.
24. Густов, Ю.И. Упрочнение и восстановление деталей строительной техники электромеханической обработкой [Текст] /Ю.И. Густов, С.С. Федорова, С.К. Федоров // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХІ века. -2006. -№9. - С. 47-49.
25. Федоров, С.К. Восстановление деталей электромеханической обработкой. [Текст] /С.К.Федоров // Сельский механизатор. - 2006. - №8. - С. 38.
26. Густов, Ю.И., Электромеханическая закалка исполнительных поверхностей длинномерных цилиндрических деталей [Текст] /Ю.И.Густов, С.К. Федоров, Л.В. Федорова // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХІ века. - 2007. - №1. С. 42-43.
27. Федорова, Л.В. Повышение качества ремонта турбокомпрессора ТКР-11Н [Текст] /Л.В.Федорова, С.К. Федоров, А.В. Морозов // Сельский механизатор. - 2007. - №1. - С. 28-29.
30. Клюев, Ф.К. Технологии для упрочнения деталей насосно-компрессорного оборудования [Текст] / Ф.К.Клюев, В.Т. Сараев, С.К. Федоров // Научно-технический вестник ОАО «НК Роснефть». - 2007. - №3. - С. 36 - 38.
31. Федорова, Л. В. Отделочно-упрочняющая электромеханическая обработка метрической резьбы [Текст] / Л.В. Федорова, С.К. Федоров //Метизы. - 2007. - №2(15). - С. 68-71.
32. Федорова, Л.В. Повышение надежности быстроизнашивающихся деталей [Текст] / Л.В. Федорова, С.К. Федоров, А.Н. Семенов //Технологии мира. - 2008. - №06. - С. 30 - 32.
33. Федорова, Л.В. Электромеханическая обработка и восстановление деталей дорожно-строительной техники [Текст] / Л.В. Федорова, В.В. Стрельцов, Ю.С. Алексеева, С.К. Федоров //Строительные и дорожные машины. - 2008. - №8. - С. 32-35 .
Авторские свидетельства и патенты
34. А. с. 1707854 СССР, МКИ3 В 23 G 1/00. Способ изготовления резьбы [Текст] / С.К. Федоров, В.О. Надольский, Л.В. Федорова (СССР). - № 4713388/02 ; заявл. 03.05.89; публ. 22.09.91, Бюл. № 19. - 4 с.: ил.
35. А. с. 1731564 СССР, МКИ3 В 23 Р 6/00. Способ образования резьбы [Текст]/ С.К. Федоров, В.О. Надольский, Л.В. Федорова, С.Б. Наумчев. (СССР). - № 4891921/02 ; заявл. 17.12.90; опубл. 07.05.92, Бюл. №17. - 4 с.: ил.
36. Пат. 1801075 СССР, МПК3 В 23 Р 6/00. Способ восстановления резьбы [Текст] / Федоров С. К., Федорова Л. В., Надольский В. О., Каравашкин С. Н.; заявитель и патентообладатель Ульяновский сельскохозяйственный институт. - № 4929079/02; заявл. 11.03.91; опубл. 07.03.93, Бюл.№9. - 4 с.: ил.
37. Пат. 2231435 Российская Федерация, МПК7 В 24В39/00. Инструментальный узел для электромеханической обработки [Текст] / Жиганов В.И., Федоров С.К., Жиганов С.В., Шагаров Е.Н.; заявитель и патентообладатель Ульяновский сельскохозяйственный институт. - №2001130827/02 Заявлено 13.11.2001. Опубл. 27.06.2004. Бюл. №18. - 4 с.: ил.
38. Пат. 2199421 Российская Федерация, МПК7 B 23 G 1/00. Способ изготовления резьбы [Текст] / Федоров С.К., Федорова Л.В., Надымов Н.П., Рогов А.Б.; заявитель и патентообладатель они же. - № 2001108428/02 - Заявлено 30.03.01. Опубл. 27.02.03. Бюл. № 6. - 4 с.: ил.
39. Пат. 2199422 Российская Федерация, МПК7 B 23 G 1/00. Способ изготовления резьбы [Текст] / Федоров С.К., Федорова Л.В., Надымов Н.П., Рогов А.Б.; заявитель и патентообладатель они же. - № 2001108429/02 - Заявлено 30.03.01. Опубл. 27.02.03. Бюл. № 6. - 4 с.: ил.
40. Пат. 2231428 Российская Федерация, МПК7 B 23 G 1/00, C 21 D 7/13. Способ образования резьбы длинномерных деталей [Текст] / Федоров С.К., Федорова Л.В., Шагаров Е.Н.; заявитель и патентообладатель Ульяновский сельскохозяйственный институт. - №2001130826/02 - Заявлено 13.11.01. Опубл. 27.07.03. Бюл. № 18. - 4 с.: ил.
41. Пат. 2243080 Российская Федерация, МПК7 B 24 B 39/04, B 23 H 9/04. Инструментальный узел для электромеханической обработки резьбы [Текст]/. Федоров С.К, Федорова Л.В, Татаров Л.Г, Федорова Ю.С.; заявитель и патентообладатель Ульяновский сельскохозяйственный институт. - № 2002132769/02 - Заявлено 05.12.02. Опубл. 27.12.04. Бюл. №36. - 4 с.: ил.
42. Пат. 2239524 Российская Федерация, МПК7 B 23 G 1/00, 7/00. Способ изготовления резьбы [Текст] / Федоров С.К, Федорова Л.В, Львов К.Г, Федорова Ю.С.; заявитель и патентообладатель Ульяновский сельскохозяйственный институт.-№ 2002132764/02 - Заявлено 05.12.2002. Опубл.10.11.2004. Бюл.31.-4 с.: ил.
43. Пат. 43644 Российская Федерация, МПК7 G01M1/04, G01M13/00. Стенд испытательный для испытания машин и деталей машин [Текст] / Мамонов А.В, Петрушенко В.А, Федоров С.К, Петрушенко А.А, Мамонов В.В.; заявитель и патентообладатель они же. - № 2004126563 - Заявлено 06.09.2004. Опубл. 27.01.2005. Бюл. № 3. - 4 с.: ил.
44. Пат. 44114 Российская Федерация, МПК7 C21D1/06. Приспособление для электроконтактной поверхностной закалки деталей [Текст] / Мамонов А. В., Петрушенко В.А, Горбачев А.А, Федоров С.К, Петрушенко А.А. Мамонов В.В.; заявитель и патентообладатель они же. - Опубл. 27.02.05, Бюл. № 6. - 4 с.: ил.
45. Пат. 2254381 Российская Федерация, МПК7 С21D 1/06, 8/00В23G9/00. Способ поверхностной электроконтактной закалки деталей [Текст] / Петрушенко В. А., Мамонов А. В., Горбачев А. А., Федоров С. К., Петрушенко А. А., Мамонов В. В.; заявитель и патентообладатель они же. - Опубл. 20.06.2005, Бюл. № 17. - 4 с.: ил.
46. Пат. 48062 Российская Федерация, МПК7 G01M1/04, G01M13/00. Стенд испытательный для испытания машин и деталей машин [Текст] / Петрушенко В. А, Мамонов А. В, Федоров С. К, Петрушенко А. А, Мамонов В. В.; заявитель и патентообладатель они же. - Опубл. 10.09.2005, Бюл. № 25. - 4 с.: ил.
47. Пат. 2240908 Российская Федерация, МПК7 B 23 P 6/00. Способ восстановления резьбы на детали [Текст] / Федоров С.К., Федорова Л.В., Львов К.Г., Федорова Ю.С.; заявитель и патентообладатель Ульяновский сельскохозяйственный институт. - № 2002135739/02 - Заявлено 30.12.2002. Опубл. 27.11.2004. Бюл. №33. - 3 с.: ил.
48. Пат. 2243070 Российская Федерация, МПК7 B 23 H 9/00, 9/04, 5/04, C 21 D 1/06, 1/78. Способ изготовления шпоночных пазов [Текст]/ Федоров С.К., Федорова Л.В., Шамуков Н.И., Новоселкин В.Ю.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ульяновская ГСХА. -№ 2003108326/02 - Заявлено 26.03.2003. Опубл.27.12.2004. Бюл. № 36. - 6 с.: ил.
49. Пат. 2243874 Российская Федерация, МПК7 B 23 P 6/00, B 23 G 1/02, 7/00, C 21 D 7/13, B 23 H 9/04. Способ восстановления резьбы [Текст] / Федоров С.К., Федорова Л.В., Надымов Н.П., Попонин С.Н., Рогов А.Б.; заявитель и патентообладатель они же. - № 2002135824 - Заявлено 30.12.2002. Опубл. 10.01.2005. Бюл.№1. - 4 с.: ил.
50. Пат. 2252113 Российская Федерация, МПК7 B 23 G 1/00, 7/00. Способ изготовления резьбы на детали [Текст] / Федоров С.К., Федорова Л.В., Осипов Д.В., Федорова Ю.С., Салов В.Б.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ульяновская ГСХА. - № 2003108325/02 - Заявлено 26.03.2003. Опубл. 20.05.05. Бюл. № 14. - 4 с.: ил.
51. Пат. 2254967 Российская Федерация, МПК7 В 23 G 7/00, C 21 D 7/04. Способ изготовления резьбы [Текст] / Федоров С.К., Федорова Л.В., Салов В.Б., Федорова Ю.С.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ульяновская ГСХА. - № 2003134102/02 - Заявлено 24.11.2003. Опубл. 27.06.05. Бюл. №18. - 4 с.: ил.
52. Пат. 2265065 Российская Федерация , МПК7 С 21 D1/06, В 24 В 39/00. Инструмент для закалки резьбы [Текст] / Федоров С.К., Федорова Л.В., Абуков А.А., Осипов Д.В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ульяновская ГСХА. - №2003134103/02 - Заявлено 24.11.2003. Опубл. 27.11.05. Бюл. № 33. - 4 с.: ил.
53. Пат. 2305028 Российская Федерация, МПК7 В23Р 11/02, 19/02, В23В 39/02. Способ сборки деталей с натягом [Текст] Федоров С.К., Морозов А.В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ульяновская ГСХА. - № 2005120254 - Заявлено 29.06.2005. Опубл.27.08.2007. Бюл. № 24. - 4 с.: ил.
54. Пат. 2285607 Российская Федерация, МПК7 B 24 B 39/04, B 21 H 3/04. Инструментальный узел для электромеханической обработки резьбы [Текст] / Федорова Л.В., Федоров С.К.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ульяновская ГСХА. - Заявлено 22.04.2005. Опубл. 20.10.06. Бюл. №29. - 4 с.: ил.
55. Пат. 76274 Российская Федерация, МПК7 B 39/04. Устройство для упрочнения отверстий деталей [Текст] Стрельцов В.В., Федоров С.К., Лапик В.П., Синяя Н.В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО МГАУ. - № 2007144557/22 - Заявлено 04.12.2007. Опубл.20.09.2008. Бюл. № 26. - 2 с.: ил.
56. Пат. 2254967 Российская Федерация, МПК7 В 23 G 7/00, C 21 D 7/04. Способ изготовления резьбы [Текст] / Федоров С.К., Стрельцов В.В., Федорова Л.В., Кабанов А.В., Нагнибедова Е.В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО МГАУ. - № 2007103868/02 - Заявлено 01.02.2007. Опубл. 27.01.2009. Бюл. № 3. - 3 с.: ил.