В данной статье рассмотрен вопрос о создании более экономичного и эффективного метода устранения дефектов зубчатых колес локомотивов. Срок службы шестерни составляет примерно 60 % от срока службы колеса. В связи с этим новую шестерню приходится устанавливать в пару с зубчатым колесом, имеющим значительный износ. Из-за этого существенно ухудшаются условия работы зубчатой передачи: — усиливается износ контактирующих поверхностей зубьев шестерни и колеса; — увеличиваются динамические нагрузки, отрицательно влияющие на работу тягового привода, в том числе и на тяговый электродвигатель.
На практике зубчатое колесо в этом случае не обрабатывается совсем или обрабатывается вручную шлифовальным кругом, а также производят обработку хонингованием, притиркой и шевингованием. При такой обработке происходит уменьшение толщины поверхностной закалки зубьев зубчатого венца колеса, уменьшение толщины зуба и искажение эвольвентного профиля.
Передавая высокие тяговые нагрузки, зубчатая передача подвергается значительным динамическим воздействиям со стороны железнодорожного пути, а также высокочастотным вибрациям, вызванным кинематическими погрешностями зубчатого зацепления. При повторных воздействиях контактных напряжений, возникающих каждый раз при входе зуба в зацепление, происходит зарождение и рост усталостных микротрещин на поверхности, появление которых обуславливается недостаточной толщиной смазочного слоя и металлическим контактом отдельных выступов поверхностей зубьев. При значительном росте отдельных трещин и их последующем объединении происходит отделение от поверхности поврежденного слоя микрообъема материала и образование микрораковин. Дальнейший рост раковин сопровождается их слиянием и увеличением площади поврежденной поверхности.
Причиной разрушения зубчатых колес может послужить наличие трещин шлифовочного характера, недостаточная толщина и неравномерное распределение закалённого слоя в результате несоблюдения режимов резания рабочими.
В настоящее время для обработки зубчатых колес при их ремонте применяются различные методы: шевингование, шлифование, притирка, хонингование, приработка.
Данные методы металлообработки имеют свои недостатки, такие как:
‒ при шевинговании колес, изготовленных из материалов высокой твердости, наблюдается повышенный износ шевера. Чрезмерно малый припуск под шевингование (менее 0,06 мм) приводит к тому, что шевер не может полностью исправить имеющиеся погрешности колес, а слишком большой (более 0,25 мм) припуск приводит к уменьшению стойкости шевера и к ухудшению точности обработки колес;
‒ при притирке в материал обрабатываемой детали внедряются абразивные зерна притиров; припуск на притирку составляет не более 0,03 мм; требуется большая регулировка станка;
‒ при шлифовании трещин большой глубины значительное число колес бракуется по шлифовочным прижогам и шлифовочным трещинам.
Наиболее перспективным методом является лазерная обработка поверхностей, имеющая ряд преимуществ:
‒ высокая концентрация и локальность подводимой энергии в ограниченном (миллисекундном) временном диапазоне позволяет производить обработку только поверхностного слоя с высокими скоростями нагрева, и охлаждения без существенного нагрева, прилегающих слоев, а следовательно, без нарушения их структуры и свойств;
‒ возможность широкого регулирования режимов лазерной обработки позволяет осуществлять обширный ряд поверхностных изменений структуры, фазового состава и механофизических свойств;
‒ возможность обработки в обычных атмосферных условиях, при отсутствии вредных выбросов определяют высокую технологичность процесса;
‒ возможность транспортировки луча на значительные расстояния и в труднодоступные зоны.
Известно, что особенностью поверхностей трения, подвергнутых лазерному модифицированию, является то, что после обработки они не имеют сетки микротрещин, характерных для сталей, закаленных традиционным способом. Это особенно важно для зубчатых передач, т. к. напряжения являются концентраторами макротрещин, а при взаимной лазерной обработке сопрягаемых пар [6] эти показатели для ряда сталей заметно возрастают.
Лазерная наплавка представляется целесообразной на этапе восстановительного ремонта техники, а лазерное термоупрочнение — в межремонтный промежуток эксплуатации. Одновременно с этим, используя тоже технологическое лазерное оборудование с незначительной корректировкой режимов обработки, возможно проведение операции сварки, образовавшихся микротрещин, как в зубчатом колесе, так и в шестерне, а также локализации концентраторов напряжения в зонах микротрещин путем их оплавления в пределах допусков, предусмотренных технологией ремонта.
Износостойкость сопрягаемых поверхностей трения деталей машин имеет решающее значение для повышения долговечности изделия. Возможность ее существенного повышения за счет лазерного термоупрочнения вполне можно отнести к одному из наиболее перспективных решений.
Лазерное термоупрочнение — процесс, при котором тонкий поверхностный слой материала нагревается до температур выше температур структурно-фазового превращения, с последующим сверхскоростным охлаждением за счет исключительно теплоотвода в основную массу материала.
В основе методов поверхностного термоупрочнения лежат три режима лазерного нагрева и сопровождающие их физические явления в материале. Первый из них — режим «образования закалочной микроструктуры», не вызывающий оплавления и какого-либо изменения параметров шероховатости поверхности, не требующей постмеханической обработки. Он предусматривает нагрев поверхностного слоя обрабатываемого материала и последующее самопроизвольное охлаждение. Второй — режим образования зоны расплава. Он отличается от первого повышенной глубиной зоны термического воздействия (ЗТВ), более выраженной неоднородностью структуры модифицированного слоя. Третий — «испарительный» режим лазерного воздействия на материал — характеризует шоковое упрочнение, требует обязательной финишной механической обработки с удалением некоторой части упрочненного слоя.
Лазерное термическое упрочнение, по сравнению с традиционными методами термообработки, отличается низкими удельными энергозатратами, возможностью локального упрочнения участка поверхности необходимого размера и труднодоступных мест, отсутствием закалочных сред и вредных отходов, высоким уровнем автоматизации; обеспечивает минимальное коробление изделия.
Восстановление изношенных деталей является актуальной проблемой машиностроения. Существенно уменьшить объем расходов на восстановительный ремонт становится возможным путем восстановления ранее эксплуатировавшихся деталей.
Многими исследованиями доказано, что показатели работоспособности и износостойкости восстановленных методом лазерной наплавки деталей зачастую превышают эти показатели для новых деталей обуславливая этим дополнительный резерв снижения трудозатрат на последующий ремонт и повышение уровня надежности машин.
К основным преимуществам лазерной наплавки по сравнению с традиционными методами относится значительное снижение остаточных напряжений и деформаций восстанавливаемых деталей благодаря локальности и кратковременности воздействия источника нагрева, а также высокой скорости охлаждения за счет теплоотвода вглубь материала.
Наряду с этим высокая концентрация энергии в зоне нагрева дает возможность вести процесс со значительной скоростью обработки. Обеспечивается возможность управляемого формирования наплавленного слоя с заданными свойствами за счет оптимизации режимов наплавки и выбора соответствующего присадочного материала, при незначительном подплавлении основы. Это, в свою очередь, обуславливает высокую адгезионную прочность наплавленного слоя и износостойкость, достигается минимальное термическое воздействие на основу металла, что особенно важно для материалов, претерпевающих структурные и фазовые превращения [1;4].
В целом лазерное модифицирование с целью восстановления рабочих поверхностей трения включает в себя три этапа: подготовку порошка и поверхности детали для восстановления; восстановление посредством лазерной наплавки; механическую обработку восстановленной поверхности.
Подготовка порошка заключается в его сушке, иногда прокаливании при температуре соответственно 150...200 С или 350...400 С. Деталь, подвергаемую наплавке, очищают от загрязнений, просушивают, после чего подвергают механической обработке с целью придания поверхности необходимой шероховатости, которая существенно влияет не только на прочность сцепления присадочного материала с подложкой, но и на усталостную прочность. Одновременно с этим детали придается правильная геометрическая форма, с помощью традиционных видов механической обработки. Аналогичным образом реализуется завершающий этап финишной механической обработки наплавленной поверхности.
При лазерной наплавке, как правило, предусматривается подплавление поверхностного слоя подложки и одновременно осуществляется гравитационный способ подачи присадочного материала в зону жидкого расплава. Для этого используется специальный порошковый дозатор. Наплавленный слой в этом случае формируется в результате его постепенного наращивания за счет постоянных поступлений жидкой фазы присадочного материала.
Особенно важным технологическим аспектом предлагаемого способа подачи порошка является снижение до минимума вероятности возникновения микротрещин в модифицированном слое. Лазерная наплавка при гравитационной подаче присадочного порошка вслед движущемуся объекту является наиболее предпочтительной для восстановления изношенных деталей.
Концепция технологических и технико-экономических аспектов комплексного подхода, подтверждает целесообразность и эффективность промышленного использования того и другого способов лазерного модифицирования на разных этапах эксплуатации изделия. Справедливость такой идеи, на примере рассмотренных технологий, становится очевидной благодаря следующему:
‒ промышленное применение лазерного термоупрочнения и восстановления направлено на решение одной общей задачи — повышение надежности и работоспособности изделий, как вновь изготавливаемых, так и подвергнутых восстановительному ремонту;
‒ тот и другой процессы обработки характеризуются высокой степенью идентичности технологий обработки и используемого лазерного оборудования;
‒ энергоемкость процессов обработки находится примерно на одном уровне в пределах несложной перенастройки лазерной технологической установки.
В силу изложенного становится технически и экономически оправданным создание в условиях одного предприятия единого универсального комплекса лазерной обработки материалов. Создание такого комплекса, кроме рассмотренных выше технологических приемов, может обеспечить реализацию и других перспективных лазерных технологических процессов, таких как резка, сварка, легирование и т. д.
Литература:
- Шастин В. И., Поздеев В. Н., Червичкова Л. В. Лазерное модифицирование поверхностей зубчатых передач тягового привода локомотива // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование.. — 2010. — № 1. — С. 92–96.
- Лазерная сварка. Термоупрочнение. // ruslaser.com. URL: http://ruslaser.com/index.php/component/content/article/13-portfolio/1-lasweld/34–1-lazarnaya-svarka?Itemid=0 (дата обращения: 22.02.2017).
- Григорьянц А. Г. Основы лазерной обработки материалов. — М.: Машиностроение, 1989. — 304 с.
- Коваленко В. С., Головко Л. Ф., Черненко В. С. Упрочнение и легирование деталей машин лучом лазера. — К.: Тэхника, 1990. — 192 с.
- Коваленко В. С., Верхотуров А. Д., Головко Л. Ф. Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов. — М.: Наука, 1986. — 276 с.
- Шастин В. И. Лазерная обработка сопрягаемых пар трения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование.. — 2009. — № 4. — С. 202–208.
- Шастин В. И. Современное состояние и перспективы промышленного использования лазерных технологий в машиностроении // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование.. — 2008. — № 4. — С. 60–66.
