Restoration of hydraulic cylinder rods by method of ESA

全文:

Введение Различные гидравлические устройства и системы очень часто применяются в машинах, работающих в тяжелых условиях: тракторах; строительно-дорожных машинах, карьерной технике и машинах сельскохозяйственного назначения. Исполнительными механизмами в гидросистемах, как правило, являются гидроцилиндры различных размеров и конструкций. Несмотря на их различное технологическое назначение, в своей конструкции они непременно имеет шток. В процессе эксплуатации штоки гидроцилиндров подвергаются различным механическим и химическим воздействиям, таким как удары и осаждение на рабочую поверхность различных абразивных материалов. В результате целостность штока нарушается: на нем образуются риски, сколы, царапины и прочие дефекты. Это является одной из основных причин преждевременного выхода из строя штоковых уплотнений и, соответственно, возникновения течи гидравлической жидкости в области уплотнений [1-3]. Гидроцилиндр можно представить как объемный гидравлический движитель, в котором исполнительное звено (поршень) в результате гидравлического давления жидкости совершает линейное движение. Гидроцилиндры (рис. 1) - это агрегаты, которые в процессе эксплуатации, на практике, дают довольно большую долю отказов в работе гидравлических систем. Рис. 1. Силовые гидроцилиндры Fig. 1. Power hydraulic cylinders Цель и задачи исследований Целью данной работы являлось разработка технологического процесса восстановления штоков гидроцилиндров методом электроискрового легирования для обеспечения оптимальных эксплуатационных характеристик поверхностного слоя, увеличения износостойкости и стойкости к короблению и, как следствие, повышения их долговечности. Для достижения указанной цели были разработаны несколько этапов, или задач, выстроенных в логическую цепочку: выбор электродных материалов, используемых для восстановления штоков; выбора установки ЭИЛ; исследование одной из наиболее значимых эксплуатационных характеристик детали - ударной вязкости в зависимости от режимов нанесения покрытий. Материалы и методы Существует множество методов восстановления данного вида деталей. Наиболее распространены среди них: наплавка (в среде CO2, под слоем флюса, индукционная наплавка ТВЧ); напыление (газопламенное, электродуговое, детонационное); гальванические методы (железнение, хромирование, никелирование). Каждый из этих способов бесспорно имеют свои достоинства. Это хорошее оборудование, выверенные временим технологии, современные материалы. Однако существуют и отрицательные моменты использования данных методов. Одни из них дают недостаточное сцепление наносимого материала с основой, другие очень вредны для здоровья рабочих, а самый большой недостаток заключается в том, что далеко не каждое предприятие по ремонту техники имеет возможность разместить на своей территории такие производственные участки и иметь персонал для его обслуживания. Предлагается применить метод электроискрового легирования (ЭИЛ) для восстановления штоков гидроцилиндров. Данный способ обработки имеет следующие достоинства: не требует особой подготовки поверхности - необходимо лишь полностью очистить ее от грязи и удалить следы жира и масла; обеспечивает высокую прочность сцепления слоя покрытия с основным материалом за счет микрометаллургических процессов в зоне легирования; небольшая толщина покрытия не влияет на основную структуру металла; в зависимости от режимов обработки и применяемых электродных материалов придает поверхностным слоям покрытия требуемые эксплуатационные качества; не происходит сильного нагрева обрабатываемой поверхности детали в процессе обработки, что не изменяет ее геометрию и физико-механических свойств; отличается простотой технологического процесса, малогабаритностью и транспортабельностью оборудования. Для реализации ЭИЛ необходимо лишь бытовая электрическая сеть, верстак и приспособление для закрепления детали. Недостатком можно считать большую величину шероховатости нанесенного слоя и относительно небольшой по толщине (0,2-0,3 мм) слой покрытия. Ранее проведенные исследования показали, что повторная обработка покрытия графитовым электродом снижает высоту микронеровностей практически в два раза, а применение многослойных покрытий позволяет добиться увеличение линейных размеров до 0,5-0,6 мм. Исходя из трех критериев выбора рационального способа восстановления деталей [4], а именно критерия применимости, критерия долговечности и технико-экономического критерия, можно сделать вывод о том, ЭИЛ - это достаточно рациональный способ для восстановления небольших (до 0,3 мм) износов, царапин и вмятин на штоках гидроцилиндров. Важно отметить, что при разработке критериев подбора или изготовления электродных материалов для ЭИЛ необходимо следовать логичной взаимосвязи этапов: исследования - условия эксплуатации - состав - структура материалов - параметры технологического процесса изготовления деталей - эксплуатационные характеристики образуемых покрытий. Основным материалом для изготовления штоков гидроцилиндров многие производители выбирают сталь Ст45 и ее аналоги с последующей обработкой. На основе анализа работы, конструктивных элементов, физико-механических свойств рабочих поверхностей штоков гидроцилиндров, а также рекомендаций ученых и литературных источников были определены требования для электродов, применяемых при восстановлении данных изделий. Были выбраны электродные материалы из стали 11Х15Н25М6АГ2 и Cr [5]. Основываясь на условиях и реалиях небольшого ремонтного предприятия, а именно: небольшое количество восстанавливаемых в смену штоков гидроцилиндров (2-10 штук различных типоразмеров); возможность совмещения технологического процесса восстановления данного типа деталей с технологическими процессами ремонта других элементов гидросистем; возможность использования недорогих расходных материалов, надежность установки и небольшие энергетические затраты, можно рекомендовать установку ЭИЛ модели Элитрон-22 В. Модель выпускается нашей промышленностью и хорошо себя зарекомендовала во многих областях машиностроительного производства. Общий вид установки ЭИЛ представлена на рис. 2. Рис. 2 Общий вид установки ЭИЛ Fig. 2. ESA device Основными изменяемыми технологическими параметрами, определяющие режимы обработки, приняты: величина приведенной энергии, затрачиваемой на условное образование покрытия площадью в 1 см2, - Wп (кДж/см2), значение которой рассчитывалось по средней величине энергии одного искрового разряда Wи; частота следования искровых разрядов - fи (Гц); длительность следования искровых разрядов - τи (с). Значения энергии искрового разряда рассчитаны по вольтамперным осциллограммам, полученным с помощью осциллографа мод. RIGOL DS1022C по методике, изложенной в работе [6], непосредственно в межэлектродном пространстве. Износостойкость определяется свойствами поверхностного слоя штока на глубине не более 0,05-0,2 мм. В этой области поверхности важно знать основные прочностные параметры нанесенного покрытия. Как известно, твердость прямо пропорциональна износостойкости материала. Поэтому при оценке эксплуатационных свойств нанесенного покрытия предлагается использовать метод, позволяющий оценить динамическую микротвердость (Hd). Данный метод предложенный профессором А.Ш. Хусаиновым [7], позволяет эмитировать ударные воздействия на шток. Современные методы определения микротвердости (рентгеновские, традиционные с применением приборов серии ПМТ, склерометрирование) не позволяют достаточно точно произвести измерения цилиндрической поверхности. Метод определения динамической микротвердости основан на определении глубины проникновения бойка (индентора) в рабочую поверхность штока. Для измерения динамической микротвердости (Hd), используется ударное воздействие бойка на изделие. Численное значение определяется как отношение кинетической энергии бойка к объему вытесненного металла, которое может быть представлена формулой Hd = E/V, где Е - кинетическая энергия бойка, а V - объем вытесненного металла. В Тихоокеанском государственном университете была создана и усовершенствованна небольшая установка для проведения испытаний по определения динамической микротвердости, которая представлена на рис. 3. Сущность испытания заключается в следующем: испытываемый шток (обработанные фрагменты штока) закрепляют в приспособлении так, чтобы в момент удара бойка маятникового копра вектор его мгновенной скорости находился в горизонтальной плоскости перпендикулярно к образующей цилиндра. Боек - трехгранная неперетачиваемая пластина из твердого сплава, вершины которой имеют округления радиусом 0,2 мм, закрепленная в жесткой штанге, - отводится на определенный угол, согласно предварительно составленной таблице, в которой по значениям массы бойка, длины штанги и угла отвода штанги определяется сила удара по испытываемому образцу. Центр масс бойка в момент удара должен находиться перпендикулярно к оси симметрии испытуемого штока. Удар осуществляется вершиной пластины. Схема эксперимента приведена на рис. 4. После удара глубину лунки измеряют с помощью шкалы микроскопа, с увеличением не менее ×24 и ценой деления шкалы 0,01 мм. На рис. 5 представлен пример измерения глубины проникновения бойка. Сравнивая полученные результаты с результатами измерений микротвердости образцов, выполненных с использованием шлифов и микротвердомера ПМТ-3, можно определить степень соответствия предложенного способа. В качестве параметров для сравнения были выбраны коэффициенты упрочнения: Ку - отношение значения микротвердости, измеренной с помощью прибора ПМТ-3, образцов, обработанных соответствующими электродными материалами, к микротвердости необработанной подложки, и Ку дин соответственно отношение значения микротвердости измеренной с помощью установки для проведения испытаний по определения динамической микротвердости обработанных образцов соответствующими электродными материалами, к микротвердости не обработанной подложки. Основной технологический параметр Wp был определен экспериментально по наибольшему приросту линейных размеров в 1 мин обработки поверхности площадью 1 см2. Результаты и обсуждения Проведенные измерения показывают увеличение Ку дин и Ку до 3,1 раза, по сравнению с материалом подложки не обработанным методом ЭИЛ. Результаты экспериментов представлены в таблице. Максимальную микротвердость, измеренную с помощью прибора ПМТ-3, имеют образцы, упрочненные 11X15H25М6АГ2. Однако большие показатели динамической микротвердости имеют образцы, покрытые Cr. Следует отметить, что при проведении испытаний в реальных условиях эксплуатации наибольшую долговечность из приведенных выше электродных материалов показали штоки, упрочненные Cr. Данное увеличение микротвердости происходит вследствие того, что при микрометаллургических процессах, происходящих в зоне легирования, в измененном поверхностном слое образуются карбиды хрома [8]. Полученные результаты свидетельствуют о том, что применение метода ЭИЛ для восстановления штоков гидроцилиндров повышает их динамическую микротвердость. Наибольшее влияние на стойкость штоков оказывает величина приведенной энергии Wп и материал электродов. С помощью метода определения динамической микротвердости можно определять микротвердость различных деталей, изготовленных из материалов твердостью меньше чем твердость применяемого индентора [9]. Целесообразно применение метода динамической микротвердости как более точного способа определения функциональных характеристик на поверхностях штоков по сравнению с традиционным при использовании приборов серии ПМТ. Условно технологический процесс восстановления можно разделить на три стадии: 1) подготовка детали к нанесению покрытия, 2) непосредственное нанесение, 3) обработка после нанесения покрытия. Подготовка заключается в следующем. Перед нанесением покрытия рабочую поверхность штока необходимо очисть от смазки и продуктов износа. Шток закрепляется в приспособлении (слесарные тисы или другую оснастку). Визуальным осмотром или с помощью измерительных инструментов определяют зоны обработки и помечают их маркером. Для облегчения контроля сплошности несения покрытия большие участки условно разбивают на сектора площадью 1,5-2 см2. Перед нанесением покрытия необходимо установить ранее подобранный электрод в вибратор, на установке для ЭИЛ установить режим обработки в соответствии с рекомендациями наносить покрытие плавно, по секторам, контролировать форму и диаметр измерительными инструментами. После достижения необходимых размеров детали произвести повторную обработку восстановленных участков графитовым электродом с такими же режимами обработки. Завершающим этапом технологического процесса восстановления штока гидроцилиндра является абразивная обработка и полирование. Заключение В результате проведенного исследования были сформулированы требования для состава электродов, применяемых для упрочнения и восстановления штоков гидроцилиндров. Для исследований выбраны электродные материалы: сталь 11Х15Н25М6АГ2 и Cr. Основным технологическим параметром процесса ЭИЛ принята приведенная величина энергии Wп, затрачиваемой на образование покрытия площадью в 1 см2. Данный параметр, предложенный профессорами А.Д. Верхотуровым и Ю.И. Мулиным, позволяет воспроизводить процесс обработки методом ЭИЛ на любых моделях установок. Проведено исследование зависимости динамической микротвердости от электродных материалов и энергетических режимов процесса ЭИЛ. Доказана целесообразность применения метода ЭИЛ при восстановлении и упрочнении штоков гидроцилиндров. Представлены основные этапы технологического процесса восстановления штоков гидроцилиндров. Рис. 3. Установка для проведения испытаний по определения динамической микротвердости Fig. 3. Installation for testing to determine dynamic microhardness Рис. 4. Схема эксперимента: 1 - верхний упор; 2 - штанга; 3 - груз; 4 - боек; 5 - испытываемый образец; 6 - подставка; 7 - нижний упор; I - длина штанги Fig. 4. Experiment scheme: 1 - upper stop, 2 - bar, 3 - weight, 4 - striker, 5 - test sample, 6 - stand, 7 - lower stop, I - length of the bar Рис. 5. Пример измерения глубины проникновения бойка в образец из стали Ст45, упрочненный Cr Fig. 5. An example of measuring the depth of penetration of a striker into a sample of steel St45 hardened with Cr Таблица Исходные данные и результаты экспериментов по определению динамической микротвердости на подложке из стали Ст45 Table 1. Initial data, and results of experiments to determine dynamic microhardness, on a substrate of steel St45 Электродный материал Приведенная энергия Wп, кДж/см2 Глубина внедрения бойка bл,, мм Объем вытесненного металла V, мм3 Динамическая микротвердость Hd, МПа Коэффициент упрочнения динамический, Ку дин Микротвердость Нµ, МПа Коэффициент упрочнения, Ку Cr 8,0 0,025 0,54 304 3,1 523 1,1 11X15H25М6АГ2 8,6 0,039 0,61 269 2,7 680 1,4 Без покрытия 0,062 1,69 97 1,0 474 1,0

作者简介

O. Kazannikov

Pacific National University

Email: oleg97k@mail.ru
PhD in Engineering Khabarovsk, Russia

D. Otmakhov

Pacific National University

Email: oleg97k@mail.ru
PhD in Engineering Khabarovsk, Russia

参考

补充文件