Математическое моделирование нанесения упрочняющих валиков наплавкой на рабочую поверхность стрельчатых лап

Введение. Метод упрочнения наплавкой отдельных износостойких валиков на рабочие органы почвообрабатывающих орудий позволяет увеличить их износостойкость в 2…3 раза. Валики наносятся на рабочие органы орудий, так, что расстояние между ними больше их ширины, что приводит к образованию зон застоя почвы при вспашке [1, 2, 3, 4].

Наплавляемые на рабочие поверхности стрельчатых лап валики должны иметь определенные геометрические параметры, характеризуемые радиусом дуги, их высотой, а также расстоянием между двумя соседними валиками. Радиус дуги валиков и расстояние между двумя соседними валиками обеспечиваются при составлении программного кода управляющей программы, применяемой на установке типа 4D [5]. Для выполнения наплавки валиков заданной высоты необходимо получить зависимость между их шириной и высотой, скоростью подачи проволоки и скоростью движения сварочной горелки.

Цель исследований – выявление зависимости между шириной и высотой наплавляемых валиков, скоростью подачи проволоки и скоростью движения сварочной горелки для обеспечения наплавки валиков с требуемыми геометрическими параметрами на рабочие поверхности стрельчатых лап с целью их упрочнения и повышения износостойкости.

Материалы и методы. Наплавленные на рабочую поверхность стрельчатых лап валики должны иметь высокую твердость и износостойкость. При этом наплавочный материал должен быть совместим с металлом, из которого изготовлена стрельчатая лапа. Выбрана порошковая проволока OK Tubrodur 58 O/G M, соответствующая всем предъявленным к наплавочному материалу требованиям. Кроме того, компания ESAB OK известна высоким качеством выпускаемой сварочной продукции [6, 7].

Проволока имеет диаметр 1,6 мм, а также следующие рекомендации производителя по применяемым режимам наплавки: напряжение 26…28 В, сила тока 160…170 А и скорость подачи сварочной проволоки 11,7…21 см/с. Наплавка данной порошковой проволокой может выполняться без использования защитного газа, однако, для получения гарантированно высокого качества производитель проволоки рекомендует использовать углекислый газ [8, 9].

Результаты и обсуждение. На рисунке 1 представлена расчетная схема сечения наплавленного валика. Выступающая над поверхностью основного металла часть валика имеет площадь, соответствующую площади сегмента круга с радиусом R и находится по формуле:

S„ = nR2a /2 ■ n - 0,5 ■ R2 ■ sin a = 0,5R2 ■ (a - sin a ), в в в вв где

Sв - площадь сечения валика, выступающего над поверхностью основного металла, мм2;

R – радиус выступающей части валика, мм;

а в - угол дуги валика, выступающего над поверхностью основного металла, рад.

Рисунок 1 - Расчетная схема сечения наплавленного валика

Угол дуги валика, выступающего над поверхностью основного металла:

а _в = 2arccos ( 1 - h I R )

По теореме Пифагора:

R ² = ( R - h ) ² + ( b /2 ) 2

Поэтому:

а в = 2arccos (( b ² - 4 ■ h ² ) / ( b ² + 4 ■ h ² ))

С другой стороны, площадь сечения валика, выступающего над поверхностью основного металла можно найти по формуле:

Se = dVe I die = n ■ d^dt/4(1 + 0,01 ■ V)die, где

dV в - объем выступающей части валика, наносимый за единицу времени, мм³;

dl _в - длина валика, наносимая в единицу времени, мм;

dl пр - длина наплавочной проволоки, расходуемая в единицу времени, мм;

ф - коэффициент потерь металла наплавочной проволоки при наплавке, % [10];

и пр - скорость подачи наплавочной проволоки, мм/с.

На коэффициент потерь оказывают влияние такие параметры как состав наплавочной проволоки и ее покрытия, а также режимы наплавки. Потери металла наплавочной проволоки происходят из-за испарения, окисления и разбрызгивания при горении электрической дуги. Согласно справочным данным [11] коэффициент потерь составляет 3…6 % при наплавке в среде защитных газов и 1…3 % при наплавке под слоем флюса.

Скорость движения сварочной горелки:

и = dl„ / dt нв

Учитывая вышеперечисленные зависимости и заменяя и пр I и н = S v , определяется искомая зависимость между шириной и высотой наплавляемых валиков, скоростью подачи проволоки и скоростью движения сварочной горелки:

( 1 + 0,01 ^ > ² + 4 h ² ) 2 Г       Г b ² - 4 h ²) .(       Г b ² - 4 h ²W|

S(b,h) = ----------^— -----'— 2arccosl —------ I-sinl 2arccosl —------ I I I vV 1        32h2ndПр      (       (b2 + 4h2 J     (       (b2 + 4h2 JJJ

Для найденной зависимости построена поверхность отклика (рисунок 2) и ее изолинии (рисунок 3). В расчетах принято, что коэффициент потерь наплавляемого металла соответствует 5%, а диаметр наплавочной проволоки равен 1,6 мм.

По полученной поверхности отклика и ее изолиниям можно определить недостающие необходимые режимы наплавки валиков, обеспечивающие заданную для них геометрию. Например, требуется наплавить валики шириной 8 мм и высотой 4 мм. По рисунку 3 получается:

S _v ( b , h ) = 13,141

Рисунок 2 - Поверхность отклика функции Sv (b, h) - отношения скорости подачи проволоки к скорости движения сварочной горелки в зависимости от ширины и высоты наплавляемых валиков

Рисунок 3 - Изолинии поверхности отклика функции g v ( b , h ) -

отношения скорости подачи проволоки к скорости движения сварочной горелки в зависимости от ширины и высоты наплавляемых валиков

Соответственно, при наплавке выбранной порошковой проволокой OK Tubrodur 58 O/G M необходимо обеспечить скорость движения сварочной горелки в диапазоне 0,9…1,6 см/с.

Заключение. Выполнено математическое моделирование нанесения упрочняющих валиков наплавкой на рабочую поверхность стрельчатых лап. Найдена зависимость между шириной и высотой наплавляемых валиков, скоростью подачи проволоки и скоростью движения сварочной горелки для обеспечения наплавки валиков с требуемыми геометрическими параметрами на рабочие поверхности стрельчатых лап с целью их упрочнения и повышения износостойкости. Выполнена графическая интерпретация полученной зависимости (построена поверхность отклика и ее изолинии).