1.6 Расчет режимов восстановления детали

Режимы обработки определяются для каждой отдельной операции с разбивкой ее на переходы.

При ремонте детали используются различные методы восстановления, которые характеризуются определенными параметрами режимов обработки.

При автоматической наплавке – силу сварочного тока и напряжение источника, скорость наплавки, шаг наплавки, высоту наплавляемого слоя за один проход, состав присадочного материала и электродной проволоки, флюса и др. [1; 3; 4].

При гальванопокрытиях – атомную массу металла покрытия, электрохимический эквивалент, выход металла по току, состав и температуру электролита [1; 3; 4].

При обработке деталей на металлорежущих станках необходимо выбрать по нормативам [2, таблицы 2, 5] или рассчитать следующие величины: стойкость инструмента, глубину резания, подачу, скорость резания, частоту вращения детали (инструмента), мощность резания.

Исходными данными для этого являются принятый маршрут механической обработки детали и назначенные припуски для каждого перехода, что соответствует глубинам резания t_i .

Пример: определить режимы резания при обтачивании на токарном станке IД63А после наплавки наружного диаметра d_н = 60 мм шлицевой втулки карданного вала.

Исходные данные: материал – сталь 30Х; припуск на обработку (по расчету) Z_mаx = 1,5 мм, длина обработки 56 мм. Остальные данные – справочные таблицы [2].

В самом начале для каждой операции выбирается инструмент и оценивается период его стойкости T (см. табл. 6).

Таблица 6. Период стойкости инструмента T, мин.

Материал лезвия инструмента	Обрабатываемый материал
	сталь	чугун	цвет. металл
1. Быстрорежущая сталь	10	50	100
2. Твёрдосплавная пластина Т15К6	120	300	400
3. Твёрдосплавная пластина ВК8	200	400	600

Далее назначается подача инструмента s (см. табл. 7).

Таблица 7. Рекомендуемые подачи инструмента.

Вид обработки	Подача s
1. Черновое точение	0,8 ... 2,0 мм/об
2. Чистовое точение	0,07 ... 0,7 мм/об
3. Фрезерование	0,15 ... 3,7 мм/об
4. Сверление, развёртывание, зенкерование	0,5 ... 2,0 мм/об
5. Протягивание, строгание, долбление	0,01 ... 0,3 мм/зуб
6. Шлифование	0,001 ... 0,005 мм/об

Следует иметь в виде, что при черновой обработке подача инструмента зависит от размера заготовки (чем больше , тем больше s) и её материала (чем мягче обрабатываемый материал, тем больше s), а при чистовой обработке подача определяется требуемым качеством поверхности. Общим правилом является то, что при черновой обработке глубина резания t и подача s - максимально возможные, а частота вращения шпинделя станка n - минимальная. При чистовой обработке t и s минимальные, а n максимально возможная по техническим и экономическим соображениям.

Затем определяется скорость резания v , м/мин

, (13)

где C_v - коэффициент скорости резания, определяемый по табл. 8;

T - период стойкости инструмента, мин (см. табл. 6);

t - глубина резания, мм;

s - подача инструмента, мм/об;

m, x, y - показатели степеней, (см. табл. 8).

Таблица 8. Параметры формулы (13) для оценки скорости резания.

Вид обработки	Параметры
(инструмент из Т15К6)	Cv	m	x	y
1. Точение	240 ... 420	0,2 ... 0,3	0,15 ... 0,23	0,2 ... 0,4
2. Фрезерование	330 ... 1800	0,2 ... 0,35	0,1 ... 0,4	0,2 ... 0,4
3. Сверление, развёртывание	100 ... 400	0,12 ... 0,2	0,1 ... 0,75	0,4 ... 0,7

Зная v, определяется частота вращения шпинделя станка, мин^-1

, (14)

где D - диаметр обрабатываемой детали или диаметр фрезы, мм.

При протягивании, строгании или долблении скорость резания, м/мин, оценивается по зависимости

, (15)

где N - мощность привода станка (10 ... 80 кВт);

F - сила резания на 1 мм ширины лезвия инструмента, Н (в зависимости от принятой по табл. 7 подачи выбирается из диапазона 65 ... 730 Н);

B - периметр лезвия, т.е. обрабатываемый периметр мм;

 - КПД привода станка (0,8 ... 0,9).

При шлифовании скорость резания принимается v = 15 ... 120 м/с.

После оценки v производят вычисление проекций силы резания по координатным осям, Н:

, (16)

где F_z , F_y , F_x - проекции силы резания соответственно на ось Z - окружная составляющая, Y - нормальная, X - осевая;

C_Fz , C_Fy , C_Fx - коэффициенты силы резания (см. табл. 9);

t - глубина резания, мм (при отрезке и фасонном точении - ширина лезвия резца);

s - подача, мм/об;

v - скорость резания, м/мин;

x_i , y_i , n_i - показатели степеней (см. табл. 9).

Таблица 9. Данные для формул (16)

Вид обработки	Параметры формулы
	CFz	xz	yz	nz	CFy	xy	yy	ny	CFx	xx	yx	nx
1. Точение	300	1,0	0,75	-0,15	340	0,9	0,6	-0,3	245	1,1	0,5	-0,4
2. Фрезерование	825	1,0	0,75	-0,2	100	0,9	0,6	-0,2	150	1,0	0,5	-0,3

После вычисления силы резания оценивается крутящий момент при резании M_к , Нм

M_к = F_z D / 2000, (17)

где D - обрабатываемый диаметр при точении или диаметр фрезы, мм.

Для операций сверления, развёртывания и зенкерования сразу вычисляется крутящий момент при резании M_к , Нм

, (18)

где C_M - коэффициент момента резания (C_M = 0,03 ... 0,17);

t - глубина резания, мм (при сверлении t = 0,5 D);

D - диаметр сверла, развёртки или зенкера, мм;

s_z - подача на один зуб многолезвийного инструмента, мм/зуб, которая определяется как s_z = s / z, где s - подача мм/об;

z - число зубьев инструмента;

x , y - показатели степеней (x = 0 ... 0,9; y = 0,7 ... 0,8).

Затем для сверления, развёртывания и зенкерования определяют осевую силу, Н

, (19)

где C_о - коэффициент осевой силы (C_о =10 ... 140);

D - диаметр сверла, развёртки или зенкера, мм;

s - подача инструмента, мм/об (см. табл. 7);

q, y - показатели степеней (q = 1,0 ... 1,2; y = 0,4 ... 0,75).

После вычисления крутящего момента M_к оценивается мощность резания N, кВт

, (20)

где  = 3,14 - число Пифагора;

n - частота вращения шпинделя станка, об/мин.

Для шлифовальных операций силы резания не оценивают из-за их малости, а сразу определяют мощность N, кВт. Так при шлифовании с продольной подачей, то есть когда шлифуемая поверхность больше ширины шлифовального круга

, (21)

где C_N - коэффициент мощности резания (C_N = 0,1 ... 5,2);

v_з - окружная скорость заготовки (v_з = 10 ... 150 м/мин);

t - глубина шлифования (припуск), мм;

s - продольная подача (s = 1,2 ... 10 м/мин);

D - шлифуемый диаметр, мм;

r, x, y, q - показатели степеней (r = 0,3 ... 1,0; x = 0,4 ... 1,0;

y = 0,4 ... 0,8; q = 0,2 ... 0,5).

При врезном шлифовании периферией круга мощность вычисляют

, (22)

где C_N , v_з , D , r, q - см. формулу (21);

s_р - радиальная подача (s_р = 0,001 ... 0,075 мм/об);

y - показатель степени (y = 0,4 ... 0,8);

b - ширина шлифуемой поверхности, мм;

z - показатель степени (z = 0,3 ... 1,0).

При шлифовании торцовой поверхностью круга мощность равна

, (23)

где C_N , v_з , t , b, r, x, z - см. формулу (22).

Определяется теоретическая скорость резания

, (24)

где К_V – коэффициент, учитывающий условия обработки [2; 4];

С_V – коэффициент, зависящий от метода обработки [2; 4];

Т – стойкость резца по нормативам, мин. (30, 60, 90 мин);

t – глубина резания, мм (t  0,5 – 1,5);

S – подача, мм/об;

m, x_V, y_V – степени при соответствующих параметрах [2; 4].

Определяем коэффициент использования оборудования по мощности

_ст = N / N_ст, (25)

где N_ст – мощность станка, кВт.

Пример наплавки, при наплавке под слоем флюса электрическая дуга горит под слоем расплавленного флюса в газовой полости, образующейся между электродной проволокой и восстанавливаемой поверхностью детали, и изолирующей расплавленный металл от атмосферного воздуха. Восстанавливаемая деталь цилиндрической формы в процессе наплавки вращается с определенной окружной скоростью Vu (рисунок. 1). Электродная проволока 7 автоматически подается в зону наплавки со скоростью Vn и поступательно перемещается вдоль оси детали 4.

Под действием теплоты, выделяющейся при горении электрической дуги 1, плавятся электродная проволока и металл детали, а также часть флюса, попавшего в зону горения дуги. Вокруг этой зоны образуется полость 2, заполненная парами металла, флюса и газами. Их давление поддерживает флюсовый свод 5, образующийся над слоем расплавленного металла, и представляющий собой оболочку из расплавленного флюса.

Оболочка из расплавленного флюса предохраняет металл наплавки и околошовной зоны от кислорода и азота воздуха и препятствует разбрызгиванию жидкого металла. Благодаря малой теплопроводности расплавленного флюса замедляется процесс охлаждения наплавляемого металла. Это облегчает всплытие на поверхность шлаковых включений и растворенных в металле газов, в результате качество наплавленного слоя улучшается.

Электрод 7 рекомендуют смещать относительно оси восстанавливаемой детали на величину А, равную 5...8 мм, в сторону, противоположную направлению ее вращения, чтобы затруднить стекание расплавленного металла и флюса с поверхности детали. По мере продвижения дуги происходит остывание расплавленного металла, его кристаллизация и формирование шва в виде валика (рисунок. 1). Жидкий флюс превращается в шлаковую корку, которую затем отделяют от детали.

1 - электрическая дуга; 2 - газовая полость; 3 - наплавленный слой; 4 - восстанавливаемая деталь; 5 - оболочка из жидкого флюса; 6 - устройство для подачи флюса; 7 - наплавочная проволока (электрод); 8 – мундштук 22.

Рисунок 1. Схема процесса наплавки

Нерасплавленная часть флюса может быть использована повторно.

Достоинствами наплавки под флюсом являются высокая производительность процесса и качество наплавленного слоя, незначительные потери на угар и разбрызгивание и возможность получения наплавленного слоя большой (до 5 мм) толщины.

К недостаткам относятся: невозможность наплавки деталей диаметром менее 40 мм, поскольку расплавленные флюс и шлак не успевают затвердеть и стекают с поверхности детали; нагрев детали до высокой температуры; необходимость применения дорогостоящих флюсов и специальной электродной проволоки, что значительно удорожает процесс; затраты времени на такие вспомогательные работы, как приготовление флюса и отбивание шлаковой корки.

Наплавку под слоем флюса применяют для восстановления деталей, имеющих значительный износ, или деталей последнего ремонтного размера (наплавка шеек коленчатых и распределительных валов, полуосей и валов коробок перемены передач). Целесообразно наплавлять наружные поверхности деталей вращения диаметром свыше 45 мм.

В качестве электрода используют сварочную и наплавочную проволоку, порошки и прутки для наплавки, порошковую проволоку и наплавочные ленты.

Легирующие элементы в составе проволоки имеют те же обозначения, что и при маркировке стали, например: Н - никель, С - кремний, Т - титан, Ф - ванадий, X - хром, Ц - цирконий, Ю - алюминий. Например, в сварочной проволоке Св-06Х19Н9Т содержится: углерода 0,06 %, хрома 19 %, никеля 9 % и небольшое количество титана.

Наплавочные проволоки изготавливают из углеродистой (Нп-30, Нп-40 и др.), легированной (Нп-30ХГСА, Нп-30Х5 и др.) и высоколегированной стали (Нп-4Х13, Нп-60ХЗВ10Ф и др.). Для восстановления деталей из среднеуглеродистых и малоуглеродистых сталей применяют малоуглеродистые (Св-08 и Св-15), марганцовистые (Св-08Г, Св-15Г, Св-10Г2) и кремниемарганцовистые (Св-12Г2С) проволоки и ленты. Детали из легированных сталей наплавляют специальными легированными проволоками (Нп-30ХГСА, Св-ЗХ13, Св-2Х13 и др.)

Флюсы, применяемые для автоматической наплавки, по способу приготовления делятся на плавленые и неплавленые (керамические).

В ремонтном производстве наиболее широко используют марганцовистые и высококремнистые флюсы, позволяющие получить наплавленный слой твердостью 300...400 НВ.

Включение в плавленые флюсы графита и ферросплавов позволяет легировать наплавленный металл кремнием, марганцем, углеродом, хромом, никелем, титаном и т.д.

Расчет условий и режима наплавки.

При назначении условий и режима наплавки исходят из размеров детали, формы восстанавливаемой поверхности, величины ее износа и качества наплавленного слоя. Для получения требуемой твердости наплавленного слоя необходимо, в первую очередь, правильно подобрать марку электродной проволоки и флюса (приложение 3). Вылет электрода, особенно при наплавке тонкой проволокой, влияет на глубину проплавления и форму шва. С увеличением вылета электрода уменьшается глубина проплавления и возрастает доля наплавленного металла в шве.

Ориентировочно величину вылета можно определить как

l = (10-12)d, (26)

где d - диаметр проволоки, мм.

Величину смещения электрода (см. рисунок 5.1) определяют по формуле

A=(0,05-0,07)D (27)

где D - диаметр восстанавливаемой поверхности детали, мм.

Электрод рекомендуют наклонять под углом 6...8° в сторону, совпадающую с направлением вращения детали, что позволяет получить валик правильной геометрической формы. При больших значениях угла появляются ≪непровары≫ по краям валика.

К элементам режима наплавки относятся: сила I сварочного тока, скорость Vn подачи электродной проволоки и окружная скорость (частота вращения) детали.

Силу тока назначают в зависимости от диаметра D детали (рисунок 2) или толщины стенки в месте наплавки.

пунктирные линии - граница зоны допустимых значений, заштрихованная зона - зона оптимальных значений

Рисунок 2. Зависимость силы сварочного тока I от диаметра детали D

Увеличение тока приводит к повышению устойчивости горения дуги, повышению вероятности деформации деталей и проплавления тонкостенных деталей, увеличению доли основного металла и, соответственно, уменьшению концентрации легирующих компонентов в наплавленном слое.

При выборе силы тока по рисунок 2 следует ориентироваться на заштрихованную зону; пунктирным линиям соответствуют допустимые значения силы.

С увеличением тока увеличивается объем жидкой ванны, возрастает глубина Н проплавления детали, но ширина валика В (см. рисунок 1) изменяется незначительно. Это приводит к увеличению высоты валика h.

По назначенной силе тока подбирают диаметр электродной проволоки (таблица 5.1).

Таблица 10. Зависимость силы тока и диаметра электродной проволоки

Сила тока I, А	90…100	120…300	160…400	180…450	220…500
Диаметр электродной проволоки d, мм	1,2	1,6	2,0	2,5	3,0

Скорость подачи электродной проволоки при наплавке (м/ч) [28]:

(28)

где d_н - коэффициент расплавления (наплавки г(А∙ч), d_н =(14…18) г/(А∙ч);

j - плотность материала проволоки, г/см³.

Окружная скорость детали (м/ч):

(29)

где А- толщина наплавленного слоя, мм (в зависимости от величины износа принимается равной, А=1…4 мм;

S- величина продольной подачи наплавочной головки на оборот детали, шаг наплавки, S=(2…6)d мм.

Частота вращения наплавляемой детали (мин^-1)

(30)

Рассчитанные и принятые параметры режима наплавки корректируют в соответствии с технологическими возможностями установки для наплавки.

По скорректированным параметрам вычисляют основное технологическое время наплавки (мин)

(31)

где F = πd² /4 - площадь поперечного сечения шва (валика), мм;

L – длина шва, мм;

Кп - коэффициент разбрызгивания металла (Кп = 0,9);

Кс - коэффициент, учитывающий сложность работы: Кс =1 - при автоматической сварке (наплавке) и ручной сварке (наплавке) плоскостей сверху; Кс = 1,5 - при ручной наплавке цилиндрических деталей диаметром 40...50 мм и сварке на горизонтальной плоскости снизу; Кс = 1,3 - при ручной наплавке цилиндрических деталей диаметром более 50 мм и сварке на вертикальной плоскости).

Длину L наплавленного шва определяют по формуле

L = π D n, (32)

где п - количество швов на наплавляемой поверхности;

dн - коэффициент расплавления (наплавки), г/(А ч), dн = (14...18) г/(А ч);

j - плотность материала проволоки, г/см³.

n = b/S, (33)

где b - длина наплавляемой поверхности, мм.

Назначение режима наплавки производят согласно таблицы 11.

Таблица 11 Режим наплавки цилиндрических деталей

Диаметр детали D, мм	Сила тока I, А, при d проволоки, мм		Напряжение, В	Окружная скорость, Vн, м/ч	Скорость подачи электрода Vп, м/ч	Продольная подача S, мм/об
	1,2…1,6	2,0…2,5
50…60 65…75 80…100 150…200 250…300	120…140 150…170 180…220 230…250 270…300	140…160 180…220 230…280 300…350 350…3380	26…28 26…28 28…30 30…32 30…32	16…24 16…28 16…30 16…32 16…35	77 87 104 140 200	3 3,5…4,0 4 5 6