Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретическое обоснование возможности управления инженерными характеристиками деталей цилиндро-поршневой группы (ДЦПГ) 15
1.1 Системный подход к управлению качеством при производстве ДЦПГ... 15
1.2 Особенности эксплуатации деталей цилиндро-поршневой группы 29
1.3 Механизмы изнашивания гильз цилиндров 34
1.4 Виды и причины отказов поршня в двигателе внутреннего сгорания 38
1.5 Состав, структура и свойства материалов для изготовления гильз и поршней 42
1.5.1 Обоснование выбора материала и технологического процесса изготовления гильз цилиндров 42
1.5.2 Обоснование выбора материала для изготовления поршней дизельных двигателей и технологии их термической обработки 48
1.6 Выводы 53
Глава 2. Моделирование технологических процессов 56
2.1 Моделирование показателей ресурса работы двигателя и износа Ці 11 .56
2.1.1 Экспертный анализ причин отказов в цилиндро-поршневой группе...56
2.1.2 Развертывание функции качества для производства гильзы цилиндра 59
2.1.3 Развертывание функции качества для производства поршней 66
2.2 Функциональное моделирование технологических процессов изготовления деталей ЦПГ 71
2.2.1 Построение модели процесса обеспечения приспосабливаемости ДЦПГ в двигателе внутреннего сгорания 73
2.2.2 Модель процесса изготовления гильз цилиндров (ГЦ) 76
2.3 Разработка феноменологической модели формирования напряжённо-деформированного состояния гильзы при закалке ТВЧ 80
2.4 Анализ факторов, обеспечивающих качество ГЦ при термообработке...88
Глава 3. Влияние химического состава на структурные превращения и свойства чугунов при термообработке ...98
3.1 Анализ влияния химического состава на структуру чугунов 99
3.2 Влияние химического состава чугунов на процессы графитизации при нагреве в докритическом интервале температур 103
3.3 Влияние легирующих элементов на характер фазовых превращений в эвтектоидном интервале температур 110
3.4 Влияние легирующих элементов на температуры критического интервала эвтектоидного превращения при нагреве чугунов 114
3.5 Влияние химического состава чугунов на температуру потери магнитных свойств при нагреве ТВЧ 117
3.6 Влияние химического состава чугунов на твёрдость и изменение оптимальной температуры закалки 120
3.7 Оптимизация химического состава чугуна 125
3.8 Анализ превращений аустенита марганцовистого чугуна при охлаждении 137
3.9 Превращения марганцовистого чугуна при отпуске в процессе непрерывного нагрева 140
3.10 Исследование изнашивания закалённого ТВЧ марганцовистого чугуна при трении без смазки 147
3.1.1 Выводы 153
Глава 4. Исследование влияния процессов структурообразования на свойства поршневого сплава 156
4.1 Обоснование использования модифицирования при изготовлении поршневого сплава 156
4.2 Разработка и оптимизация состава модификатора для поршневого сплава 161
4.2.1 Выбор химического состава комплексного модификатора 161
4.2.2 Оптимизация состава комплексного модификатора поршневого сплава 163
4.3 Влияние модифицирования комплексным модификатором на структуру поршневого сплава 171
4.3.1 Исследование микроструктуры материала поршня 171
4.3.2 Влияние модифицирования на структуру поршневого сплава 174
4.4 Исследование влияния дисперсности структуры на механические
свойства и обрабатываемость резанием материала поршней 176
4.5 Выводы 181
Глава 5. Исследование влияния технологических факторов на показатели качества гильз цилиндров 183
5.1 Анализ влияния режимов термообработки на параметры качества гильз цилиндров 183
5.1.1 Анализ влияния режимов термообработки на твёрдость закалённой поверхности гильз цилиндров 183
5.1.2 Анализ влияния режимов термообработки на макрогеометрию гильз цилиндров 186
5.2 Исследование влияния технологии изготовления на напряжённое состояние гильз цилиндров 195
5.3 Оценка влияния технологии термической и механической обработок гильз на перераспределение остаточных напряжений 198
5.4 Распределение остаточных тангенциальных напряжений по длине гильз по окончании механической обработки (готовых) 206
5.5 Выводы 211
Глава 6. Обоснование выбора режима термической обработки поршневого сплава 213
6.1 Исследование влияния термообработки на свойства материала поршней 213
6.2 Исследования напряженно - деформированного состояния поршней .219
6.3 Выводы 225
Глава 7. Практическое использование результатов исследований 226
7.1 Методика рационального выбора чугуна для деталей, упрочняемых поверхностной закалкой токами высокой частоты 226
7.2 Оптимизация технологического процесса термообработки гильз цилиндров 229
7.2.1 Математическое моделирование предлагаемого процесса термообработки 230
7.2.2 Оптимизация предлагаемого процесса термообработки гильз 238
7.3 Разработка технологического оборудования для термообработки гильз цилиндров с закалкой ТВЧ 249
7.3.1 Описание конструкции установки для подогрева гильз цилиндров токами промышленной частоты 250
7.3.2 Описание изменений, вносимых в конструкцию закалочной установки 253
7.4 Анализ и оценка способности к качеству предлагаемых процессов 256
7.4.1 Расчёт и оценка способности к качеству процесса термической обработки гильз цилиндров 257
7.4.2 Оценка способности к качеству процессов термообработки поршней.263
7.4.3 Оценка способности к качеству процессов модифицирования комплексным модификатором 267
7.5 Выводы 271
Основные выводы 273
Список использованных источников 278
Приложение
- Особенности эксплуатации деталей цилиндро-поршневой группы
- Функциональное моделирование технологических процессов изготовления деталей ЦПГ
- Влияние химического состава чугунов на процессы графитизации при нагреве в докритическом интервале температур
- Влияние химического состава чугунов на твёрдость и изменение оптимальной температуры закалки
Введение к работе
В системах менеджмента качества стратегия постоянного улучшения требует деятельности по повышению качества продукции на всех этапах жизненного цикла изделия, особенно на стадиях разработки, проектирования и изготовления в массовом производстве, так как любое улучшение многократно усиливается благодаря объемам выпуска. Вот почему проблема постоянного улучшения или повышения качества машиностроительной продукции не теряет своей актуальности.
Среди всех видов продукции машиностроения производство дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и их комплектующих занимает особое место в силу широкого использования ДВС в транспортных и энергетических системах. Процессы, протекающие в трибосопряжениях ДВС, лимитируют срок их безремонтной эксплуатации. Особая роль в этом принадлежит деталям цилиндро-поршневой группы (ДЦПГ), к которым по установившейся терминологии относятся: гильзы цилиндров (цилиндровые втулки), поршни, компрессионные и маслосъемные кольца, на долю которых приходится до 50 % выходов двигателей из строя. Причина такого положения скрывается в специфике эксплуатации этих деталей, работающих в условиях нестационарных тепловых и силовых воздействий, масляного голодания, воздействия абразивной и газовой сред. При этом, если заменой вышедших из строя колец полностью восстанавливается работоспособность двигателя, то замена поршней и гильз, как правило, связана с капитальным ремонтом двигателя. Поэтому объектом исследований в данной работе являются факторы, способствующие формированию потребительских свойств гильз и поршней дизельных двигателей.
Существуют, по меньшей мере, два основных подхода в определении причин выхода из строя ДЦПГ и в обеспечении их гарантированного качества и работоспособности.
Согласно первому или трибологическому подходу, постоянное совершенствование работы ДВС и повышение их ресурса сделало элементы пар трения объектами исследований в части выбора материалов, технологий упрочнения разработки методов обработки и способов эффективной эксплуатации. Современными исследованиями в области трения и изнашивания, в частности работами Н. А. Буше, В. В. Копытько, Ю. Е. Абраменко, Л. М. Рыбаковой, Б. М. Асташкевича, установлено, что работа трибосистемы должна происходить в условиях динамического равновесия. Это значит, что материалы и рабочие поверхности ДЦПГ должны быть совместимыми и обеспечивать при трении структурную приспосабливаемость.
Согласно второму или макрогеометрическому подходу, конструктивные особенности ДЦПГ, в частности, гильз и поршней (сложная конфигурация, тонкие сечения) требуют стабильности макрогеометрических характеристик для обеспечения надежной работы трибосопряжения в двигателе. Искажение макрогеометрии и следовательно, нарушение геометрической приспособляемости, как правило, связано с величиной временных и остаточных напряжений.
При этом необходимо учитывать, что качество ДЦПГ и двигателя в целом определяется как структурой или структурно-зависимыми характеристиками материалов, так и геометрией или макро- и микрогеометрическими характеристиками отдельных деталей. Таким образом, можно говорить о том, что качество деталей цилиндро-поршневой группы определяется структурно-геометрическим фактором или о влиянии структурно-геометрического фактора на потребительские свойства ДЦПГ. Тем не менее, до настоящего времени отсутствуют общие принципы разработки материалов и технологических процессов производства ДЦПГ с учетом их работы в двигателе в качестве элементов трибосопряжения.
Для массово-выпускаемых ДЦПГ достижение их наилучшей совместимости и приспосабливаемости является актуальной научной и технологиче-
9 ской задачей, а структурно-геометрический фактор есть важный аспект обеспечения качества изделий на всех этапах их жизненного цикла.
Таким образом, целью данной работы является исследование металловедческих аспектов и общая методология разработки материалов и технологий производства, обеспечивающих комплекс потребительских свойств, стабилизацию напряженно-деформированного состояния, структурную совместимость и приспосабливаемость деталей цилиндро-поршневой группы дизельных двигателей на основе принципов TQM и статистических методов управления качеством.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи, отражающие научную новизну и практическую значимость данной работы:
исследованы металловедческие аспекты обеспечения структурной и геометрической приспосабливаемости ДЦПГ;
разработан механизм формирования напряженно-деформированного состояния гильз цилиндров в процессе изготовления;
разработана методика рационального выбора чугунов для гильз цилиндров, подвергающихся поверхностной закалке с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ);
разработаны принципы выбора комплексного модификатора для поршневых сплавов на основе заэвтектических силуминов;
выявлены закономерности изменения механических и технологических свойств в зависимости от степени дисперсности структуры сплава АК21МЗН;
экспериментально обоснована разработка технологии модифицирования заэвтектических силуминов и ресурсосберегающих технологических процессов термической обработки гильз и поршней дизельных двигателей;
предлагаемые технологические решения опробованы и внедрены в производство.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе научных положений материаловедения и методологии управления качеством с применением методов FTA (построение дерева отказов), QFD (развертывание функции качества), FMEA (анализ видов и последствий потенциальных отказов), с использованием теории систем и системного анализа, алгебры логики, математической статистики, регрессионного анализа, метода экспертных оценок, методологии функционального моделирования.
Научная новизна. Новыми являются:
- методология управления геометрической стабильностью и структур
ной приспосабливаемостью деталей цилиндро-поршневой группы дизельных
двигателей;
- научно-методический подход к обеспечению потребительских
свойств ДЦПГ на основе применения FTA, QFD, FMEA методов;
- анализ и математические модели отказов гильз и поршней ДВС;
физическая модель формирования напряженно-деформированного состояния гильз цилиндров в процессе термообработки;
функциональные модели формирования комплекса потребительских свойств, а также геометрической стабильности и структурной приспосабливаемое ДЦПГ;
алгоритм разработки и расчета химического состава специализированных чугунов для гильз цилиндров, подвергающихся закалке с нагревом ТВЧ;
применение расчетных моделей на основе структурной теории прочности для прогнозирования уровня упрочнения заэвтектического силумина в результате модифицирования;
статистические модели для расчета параметров закаленного слоя и инженерных характеристик гильз цилиндров и расчета состава комплексного модификатора для поршневых сплавов на основе заэвтектических силуминов;
- экспериментально установленные закономерности влияния технологических параметров предложенных технологий термической обработки на структуру, фазовый состав, механические характеристики и потребительские свойства ДЦПГ.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Разработаны режимы, технология и оборудование для нового способа термической обработки гильз цилиндров ДВС с подогревом перед закалкой и самоотпуском.
Установлена значимость влияния различных технологических факторов (времени нагрева под закалку, интенсивности и схемы закалочного охлаждения) на показатели качества гильз цилиндров: глубину и структуру закаленного слоя, напряженно-деформированное состояние; даны практические рекомендации по обеспечению требуемого уровня качества.
Экспериментально определено влияние размеров кристаллов первичного кремния на механические и технологические свойства поршневого сплава.
Разработан комплексный модификатор на основе метафосфата алюминия применение, которого позволяет обеспечить необходимые технологические и механические свойства.
Составлена шкала микроструктуры сплава АК21МЗН, дающая возможность точной оценки качества модифицирования;
Определены оптимальные параметры отжига отливок поршней с точки зрения обеспечения стабильности геометрии, релаксации напряжений и экономической эффективности.
Разработанный технологический процесс термообработки гильз цилиндров (с подогревом и самоотпуском) внедрен на ОАО «Тутаевский моторный завод».
Предложенные мероприятия по совершенствованию производства поршней опробованы и внедрены на ОАО «Автодизель».
12 Методики и алгоритмы расчета химического состава специализированных чугунов, химического состава комплексного модификатора для заэвтек-тических силуминов, способности процессов и оборудования к обеспечению качества внедрены в учебный процесс на кафедре «Технология металлов» ЯГТУ и представлены в учебных пособиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
методология обеспечения геометрической стабильности и структурной приспосабливаемости деталей цилиндро-поршневой группы дизельных двигателей;
общие принципы легирования и модифицирования гильзовых и поршневых сплавов;
зависимость механических и технологических свойств от степени дисперсности структуры сплава АК21МЗН;
принцип выбора комплексного модификатора, позволяющего получить необходимые механические и технологические свойства поршневого сплава;
структурно-функциональная модель обеспечения параметров качества термической обработки гильз цилиндров и поршней дизельных двигателей;
классификация микроструктур сплава АК21МЗН после комплексного модифицирования;
- обоснование выбора ресурсосберегающей технологии термообработ
ки гильз и поршней.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 43 печатные работы. Основные результаты работы доложены на 25 конференциях, совещаниях, семинарах. В том числе на Всесоюзной научно-технической конференции «Обеспечение надежности автотракторной техники в свете задач, поставленных XXVI съездом КПСС» (г. Челябинск, 1982 г.), на зональной научно-технической конференции «Повышение производительности и эффективности использования технологического оборудования» (г. Рыбинск, 1982
13 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Совершенствование, методов термической и химико-термической обработки в станкостроении» (г. Рязань, 1983 г.), на Всесоюзной научно-технической конференция «Новые высокопроизводительные технологические процессы, машины и оборудование в литейном производстве» (г. Одесса, 1983 г.), на зональной научно-технической конференции «Совершенствование технологических процессов и повышение качества отливок из чугуна и цветных сплавов» (г. Андропов, 1984 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Основные направления экономии и рационального использования металла в автотракторостроении» (г. Челябинск, 1984 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение надежности и долговечности сельскохозяйственных машин» (г. Красноярск, 1985 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития конструкции промышленных тракторов» (г. Челябинск, 1986 г.), на зональной научно-технической конференции «Проблемы повышения производительности и качества продукции в условиях автоматизации машиностроительного производства» (г. Андропов, 1986 г.), на четвертой конференции молодых ученых и на тридцать пятой научно-технической конференции профессорского - преподавательского состава, сотрудников и аспирантов Ярославского политехнического института (1988 - 1989 гг.), на четвертой Московской научно-технической конференции «Триботехника - машиностроению» (г. Чехов, 1989 г.), на научно-технической конференции «Триботехника - машиностроению» (г. Брянск, 1991 г.), на международной научно-технической конференции «Балттехмаш-98» (г. Калининград, 1998 г.), на 11-ом международном конгрессе и 4 -ой Европейской конференции по термообработке и инженерии поверхности. (Флоренция, Италия, 1998 г.), на первой региональной научно-технической конференции «Проблемы экологии» (г. Ярославль, 1999 г.), на международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии на рубеже веков» (г. Пенза, 2000 г.), на Всероссийской научно-технической конфе-
14 ренции «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2001 г.), на 4-ом и 5-ом собраниях металловедов России (г. Пенза, 1998 г., г. Краснодар, 2001 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Методы и технические средства оперативной оценки структурно-механического состояния металла элементов конструкций и машин» (г. Москва, 2002 г.), на Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве» (г. Рыбинск, 2002 г.), на семинарах кафедры «Технология металлов» ЯГТУ и «Металловедение и литейное производство» РГАТА.
Работа выполнялась на кафедре «Технология металлов» Ярославского государственного технического университета в соответствии с планами научно-исследовательских работ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 316 страницах, состоит из введения, трех частей, содержащих 7 глав, списка использованных источников включающего 222 наименования, 9 приложений, содержит 106 рисунков и 59 таблиц. В приложениях размещены результаты анкетирования экспертов, копии актов о внедрении и опробовании результатов работы, копии авторских свидетельств на изобретения.
Особенности эксплуатации деталей цилиндро-поршневой группы
Основным направлением развития современной техники является дальнейшее повышение качества и долговечности машин, конструкций. Эта задача актуальна и для двигателестроения. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) за счёт своей экономичности, большой возможности изменения агрегатных мощностей и скоростных режимов, широко распространены в хозяйственной деятельности людей. Они являются базой для работы железнодорожного и водного транспорта, передвижной энергетики, строительных и дорожных машин, автомобильного транспорта и сельскохозяйственной техники. Так, по данным работы [8] суммарная мощность действующего парка двигателей в несколько раз превышает общую мощность всех электростанций страны, почти четверть этих мощностей используется в сельском хозяйстве, свыше 60 % - в автомобильном транспорте. Количественный рост парка двигателей, их значение для развития основных отраслей хозяйственной деятельности людей и постоянный прогресс в дизелестроении, определяемый ростом удельных и агрегатных мощностей при одновременном снижении металлоёмкости, повышения экономичности по топливу и маслу, ставят остро проблему повышения надёжности двигателей, как первоочередной характеристики его качества.
Считая надёжность, то есть свойство двигателя выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные свойства в установленных пределах в течение требуемого времени или требуемой наработки [9], обобщающим понятием, можно попытаться повлиять на него через его более частные характеристики: безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость, долговечность. В частности, понятие долговечности связано с сохранением работоспособности двигателя до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания, которое определяется рядом причин (рис. 1.5).
На протяжении всего периода эксплуатации машины происходит непрерывная трансформация макрогеометрии ее деталей и элементов в результате несовершенства или нарушения технологии изготовления деталей, сборки узлов, правил ремонта и эксплуатации дизелей, под влиянием статических и динамических нагрузок, изнашивания трущихся поверхностей, недостаточной жесткости, процессов релаксации. Искажение геометрической формы и правильного расположения осей и поверхностей приводит к повышенному и неравномерному изнашиванию деталей, снижает точность работы подвижных соединений, искажает характер посадок, вызывает контактное трение, очаги задиров. Величина и характер изменения макрогеометрии детали частоявляются основным, а для пар трения и при интенсивно протекающих релаксационных процессах решающим критерием ее пригодности для дальнейшей эксплуатации.
Степень искажения макрогеометрии ДЦПГ достигает иногда такой величины, при которой нарушается нормальная работа трибосопряжения. Происходит быстрый износ приработочных слоев на зеркале втулки, прежде всего у выпускных окон и образующей третьей перемычки канавок уплотни-тельных колец нижнего поршня. Затем изнашивается приработочный слой в верхней части тронка и второй перемычки.
Погрешности макрогеометрии, связанные с технологией изготовления деталей, сборки, суммируясь с тепловыми и силовыми деформациями, возникающими от воздействия процесса, протекающего в цилиндре двигателя, часто являются одной из основных причин интенсивного износа и задирооб-разования ДЦПГ [10].
В работах [11 - 13] среди причин нарушения работоспособности основной названо изнашивание, которое в значительной степени характеризует предельное состояние двигателя.
Предельные износы деталей двигателей являются насущной проблемой, так как в ДВС [14] до 60 % подводимой энергии теряется, из них 10 % составляют механические потери, из которых 75 % тратится на трение. А, согласно данным работы [15], в дизеле от 7 до 15 % его эффективной мощности тратится на преодоление сил трения; причём потери на трение в двигателе распределены неравномерно:- цилиндропоршневая группа (ЦПГ) - 75 %;- подшипники - 18 %;- газораспределители - 3 %;- прочие механизмы - 4 %. В большом количестве работ подчёркиваются тяжёлые условия работы
ДЦПГ. В работах [11, 15 - 18] отмечается, что большинство аварий и остановок для ремонта дизелей разной конструкции обычно происходит из-за таких неисправностей ДЦПГ, как износ поршневых колец или их поломка и заклинивание в канавках, износ и появление задиров на рабочей поверхности гильз цилиндров (ГЦ) и поршней и т. д. Авторами работы [19] делается вывод, что основанием для капитального ремонта двигателей типа ВАЗ является, прежде всего, состояние ДЦПГ, так как они имеют значительно меньший ресурс, чем остальные группы деталей. Для дизельных двигателей ЯМЗ 236, 240 [20] основными изнашивающимися деталями, определяющими главным образом срок службы двигателей, являются ДЦПГ.
Большое число исследований посвящено выяснению зависимости от различных факторов характера и темпа износа ДЦПГ. Так в работах [21, 22], обобщающей многие работы, посвященные этой теме, названо 24 фактора, влияющих на износ соединения «гильза - поршневое кольцо». Среди них: материал и размер детали, величина зазора между ГЦ и поршнем, радиальное давление колец, искажение формы трущихся частей (макрогеометрия) и т. д. [10].
Работающие в паре ГЦ - кольцо, имеют разные условия для изнашивания, так как имеют разную величину трущейся поверхности. В работе [23] приведены данные, что больший износ по массе приходится на гильзу. Авторы объясняют это тем, что путь абразивных частиц по поверхности ГЦ в несколько раз превышает их путь по кольцу. При неодинаковых материалах пар трения явление осложняется, потому что дополнительно появляется новый фактор в виде различия в свойствах материалов пары, который может свести на нет эффект влияния размера площади на скорость изнашивания. Однако, использование в качестве материала кольца хромированного чугуна с учётом малой площади кольца во многом решает проблемы повышения его износостойкости [24 - 27].
Таким образом, качество гильз цилиндров определяется, прежде всего, их износостойкостью, поэтому проблема повышения износостойкости ГЦ требует постоянного и более глубокого изучения. Чтобы попытаться решить её надо проанализировать механизмы изнашивания ГЦ [10].
Функциональное моделирование технологических процессов изготовления деталей ЦПГ
Для моделирования технологических процессов успешно применяется множество методов [97-101], которые получили широкую известность в различных видах деятельности.
Одной из моделей совершенствования способов анализа и передачи информации является методология анализа и проектирования систем SADT [98, 100], которая включает в себя ряд методов информационного моделиро вания, известных ныне как IDEF-методология (1СAM DEFinition) [97]. С помощью методологии семейства IDEF можно эффективно отображать и анализировать модели деятельности широкого спектра сложных систем в различных разрезах. При этом глубина исследования процессов в системе определяется самим разработчиком, что позволяет не перегружать создаваемую модель излишними данными [96]. Методология IDEF0 может применяться и для моделирования функций производственной системы или среды [102-107].
В более полном представлении выгоды применения метода сводятся к следующему [98]:- у всех работников, вовлеченных в построение и применение модели, формируется системное видение компании;- внедряются технологические инновации;- фактически происходит ревизия существующих производственных условий на предмет устранения недостатков;- повышается степень внутренней интегрированное компании перед лицом поставленной задачи;- существенно развивается инструктивно-нормативная база компании, наводится порядок в технологических операциях и документообороте;-выявляются функционально недогруженные участки и т. п.
Методология IDEF0 поддерживается компьютерными программами, такими, как ВР Win 4.0, что на стадии описания процессов позволяет не только повысить эффективность решения этой задачи, но также использовать эти модели на стадии менеджмента процессами, интегрируя их в корпоративную информационную систему организации [108].
В данной главе с помощью методологии функционального моделирования IDEF0 будут исследованы причины, влияющие на работоспособность деталей ЦПГ. В IDEF0 реализуются три базовых принципа моделирования процессов [104, 107]: принцип функциональной декомпозиции; принцип ограничения сложности; принцип контекста.
Для того чтобы получить более полное представление о том, какие факторы оказывают влияние на приспосабливаемость деталей ЦПГ можно описать и проанализировать этот процесс с помощью методологии функционального моделирования IDEF0.
Моделирование процесса обеспечения приспосабливаемости деталей ЦПГ в IDEF0 начинаем с определения контекстной диаграммы. Контекстная диаграмма включает только один блок, характеризующий всю совокупность моделируемых процессов, без подробностей. Эта диаграмма обеспечивает наиболее общее описание объекта моделирования. Для облегчения разработки модели определяем такие важные компоненты, как цель моделирования, точка зрения и область моделирования.
Контекстная диаграмма А-0 модели обеспечения приспосабливаемости деталей ЦПГ изображена на рис. 2.15. Для того чтобы функция могла выполняться на ее вход должны поступить следующие данные: химический состав материала, технология изготовления деталей ЦПГ, технология размерной обработки, технология объемного и поверхностного упрочнения, технология упрочнения, микрогеометрические характеристики. Государственные стандарты, документы СМК, конструкторская документация, технологические инструкции определяют условия, необходимые для того, чтобы произвести правильный выход: геометрическую стабильность, структурную приспосабливаемость и эксплуатационные характеристики двигателя. Преобразование входов в выходы осуществляется с помощью производственного оборудования, квалифицированного персонала, технологических режимов.
Говоря об изнашивании деталей ЦПГ, нельзя не отметить одну из основных причин, приводящих к износу, - несовместимость поверхностей, включая структурную и геометрическую несовместимость поверхностей сопряженных элементов узла. Исходя из этого, материалы деталей ЦПГ должны обеспечивать при трении структурную и геометрическую приспособляемость, саморегулирование и динамическое равновесие образования защитных пленок [109], и их минимальное разрушение. Рабочая поверхность детали должна иметь стабильную шероховатость, обеспечивающую необходимую масло-удерживающую способность [ПО, 111]. Активным слоям, возникающим на поверхности трения, необходимо обладать наибольшей живучестью и способностью локализовать усталостные, абразивные повреждения, а главное - защищать детали от наиболее разрушительного изнашивания, вызываемого схватыванием.
Функция обеспечения приспосабливаемое деталей ЦПГ, представленная на контекстной диаграмме верхнего уровня, раскладывается на основные подфункции (рис. 2.16).и от структуры поверхностного слоя. Выбор оптимальных значений микро- и макроотклонений, а также необходимой структуры поверхностного слоя дает минимальный износ ДЦПГ и, следовательно, повышает моторесурс всего двигателя. Причем правильная геометрия ДЦПГ является управлением для функции обеспечения необходимой структуры поверхностного слоя деталей. Поэтому нельзя рассматривать отдельно структуру поверхностного слоя и геометрию деталей. Взаимосвязь этих характеристик является структурно-геометрическим фактором процесса изготовления рассматриваемых деталей. Таким образом, на выходе процесса обеспечения приспосабливаемости ДЦПГ получаются структурные и геометрические характеристики, которые взаимосвязаны между собой, т.е. структура определяет макрогеометрию через напряженное состояние. Поэтому для обеспечения высокого качества производства деталей цилиндро-поршневои группы, что особенно важно при массовом характере производств, необходимо учитывать структурно-геометрический фактор.
Влияние химического состава чугунов на процессы графитизации при нагреве в докритическом интервале температур
Графитизация перлита в докритическом интервале температур (прежде всего, в интервале между температурой потери магнитных свойств Г0 и температурой начала эвтектоидного превращения) ухудшает качество закалки: увеличивается искажение макрогеометрии, повышается уровень остаточных напряжений, возможно понижение твердости и экономических показателей термической обработки. Для обеспечения минимального времени (температуры) нагрева под закалку необходимо использовать чугуны, устойчивые к графитизации.
О влиянии легирующих элементов на эффект графитизации в процессе нагрева можно судить по характеру дилатометрических кривых при скорости нагрева в докритическом интервале температур 5 град/мин (рис. 3.1), на ко г»торых / - прирост размеров образца за счёт графитизации.
Увеличение содержания кремния интенсифицирует процессы графитизации (If )1[ на рис. 3.1), как за счет повышения термодинамической активности углерода, так и за счет повышения температуры начала эвтектоид-ного превращения (7 7 ). Влияние содержания алюминия на эффект графитизации перлита в малокремнистых чугунах с массовой долей кремния —1,13 % показано на рис. 3.2 а, а в чугунах с обычным содержанием кремния и повышенным содержанием марганца - на рис. 3.2 б. По сравнению с кремнием температурный эффект графитизации у алюминия меньше. Следовательно, при увеличении содержания алюминия графитизация в докритическом интервале температур интенсифицируется в основном за счет повышения термодинамической активности углерода алюминием. Эффект графитизации рассмотренных чугунов при одинаковой массовой доле углерода и марганца (С - 3,3 %, Мп - 1,2 %) определяется суммой кремния и алюминия.
Кобальт слабо влияет на графитизацию перлита в докритическом интервале температур (рис. 3.3).
Марганец тормозит процессы графитизации (рис. 3.4). При массовой доле марганца в чугуне 2,4 % он препятствует графитизации в докритическом интервале температур как в малокремнистых чугунах ( 1,3 % Si) с повышенным содержанием алюминия ( 1,2 % А1) (кривые I и 2 рис. 3.4 a), так и в чугунах с обычным содержанием кремния (кривые 3 и 4 рис. 3.4 б).
Молибден (0,2 - 0,3 %) наиболее сильно тормозит графитизацию (рис. 3.5).В обычных серых низколегированных чугунах характер фазовых превращений будет зависеть от количества легирующих элементов, стабилизирующих перлит. На рис. 3.6 показана зависимость удельного эффекта графи \г тизации L = — (или доли графитизировавшегося перлита в процентах) отизменения содержания в чугуне легирующих элементов: Si, Мп и др. С определенной допустимой погрешностью можно считать, что эта зависимость линейная. Если при этом масштаб по осям координат выбран таким образом, чтобы угол, составленный прямой сиы влияния кремния с осью ОХ, был 45(+1), то сила влияния марганца будет равна (- 0,2), а сила влияния алюминия оказывается такой же, как у кремния (+1). Сравнивая силу влияния легирующих элементов на дилатометрический эффект графитизации и на удель К " ную константу графитизации К у( = —— [129] видно, что они равны, иследовательно, для чугунов с одинаковым содержанием углерода между 1г и Кг" существует линейная зависимость.
Если на рис. 3.6 продолжить линии, показывающие влияние содержания Si ,Al, Mn, Mo на удельный эффект графитизации до оси абсцисс, то точки пересечения этих линий с осью абсцисс - Si01 Мо0; Mn0; А1о покажут, при каком содержании этих элементов (содержание остальных элементов остается постоянным) вторичная графитизации в исследуемых чугунах будет отсутствовать. Это в первом приближении позволяет определить нулевую константу вторичной графитизации (Коги).3.3 Влияние легирующих элементов на характер фазовых превращений в эвтектоидном интервале температур
Характер фазовых превращений в интервале эвтектоидных температур при нагреве оказывает существенное влияние на одну из важнейших технологических характеристик - температуру нагрева чугуна под закалку (Гз). Так при наличии в структуре феррита повышение температуры закалки будет обусловлено не только полнотой превращения феррита в аустенит, но и необходимостью насыщения углеродом аустенита, получаемого из феррита, с целью получения после закалки достаточной твердости. Так для чугуна "а" (рис. 3.7) температура конца аустенизации (Тк) составляет 830 С, однако чугун приобретает максимальную твердость только с температуры 910 — 920 С и, следовательно, только эту температуру можно считать оптимальной температурой закалки. Для чугуна "б" (рис. 3.8), у которого графитиза ция перлита отсутствует, в эвтектоидном интервале температур идет только превращение перлита в аустенит Тк = 770 С. Однако, оптимальная температура закалки составляет 800 - 820 С.
Для анализа влияния легирующих элементов на характер фазовых превращений в эвтектоидном интервале температур все исследованные плавки разделили на пять групп (рис. 3.8):- по характеру дилатометрических кривых; по типу, предполагаемых для них базовых превращений в интервале температур Гн - Гк;- по ориентировочной оценке Кги.Iгруппа (рис. 3.8 а) - чугуны (плавки 1, 5, 10, 26 табл. 3.1), у которых не происходит графитизация перлита как в докритическом, так и в критическом интервале температур, поэтому объемный эффект образования аусте-нита выражен наиболее ярко. П + Г- А + Г. Кги 4,0.// группа (рис. 3.8 б) - чугуны, у которых графитизация перлита в докритическом интервале температур не происходит, за счёт введения в состав чугуна легирующих элементов, являющихся сильными стабилизаторами перлита (Мп, Ті, Ni, Mo и др.). Однако, в самом интервале подавить графи-тизацию полностью не удается, на что указывает слабо выраженный объемный эффект, при котором преобладает образование аустенита. П + Г- А + Г. г" = 4,03./// группа (рис. 3.8 в) - чугуны (чугун 4, рис. 3.2, чугун 1, рис. 3.4.), у которых наблюдается небольшой по объему распад перлита в докритическом интервале температур, усиливающийся в самом критическом интервале. Ф + П + Г - А + Г. 5,0 КГп 5,5. Для получения высокой твёрдости оптимальная температура нагрева под закалку повышается.IV группа (рис. 3.8 г) - чугуны (чугун I, рис. 3.3, чугун 3, рис. 3.4), у которых в докритическом интервале температур происходит графитизация перлита, но при этом распадается не более 20 % перлита. В самом эвтекто
Влияние химического состава чугунов на твёрдость и изменение оптимальной температуры закалки
Твердость чугуна после закалки и отпуска является важным эксплуатационным показателем, на который влияет режим термической обработки. Сравнение оптимальной температуры закалки и твердости опытных плавок позволит определить химический состав чугунов, при котором можно полу чить достаточно высокую твердость при относительно невысоких температурах закалки.
По данным литературных источников и экспериментов твердость HRC чугунов после закалки ТВЧ на 2-3 единицы меньше, чем твердость после объемной закалки. Поскольку твердости при разных способах закалки сопоставимы, то анализ влияния химического состава на изменение параметров закалки проводился при объемной закалке.
Данные табл. 3.5 показывают, что с повышением содержания кремния и алюминия температура конца аустенизации Тк возрастает, также как и оптимальная температура закалки Ту На рис. 3.10 а показано влияние константы вторичной графитизации на ширину интервала эвтектоидного превращения, а на рисунке 3.10 б представлено изменение твердости опытных чугунов в зависимости от температуры нагрева под закалку. У чугунов, устойчивых к графитизации в интервале критических температур (Кгп 4,0), максимальная твердость после закалки достигается при небольшом перегреве выше температуры конца эвтектоидного превращения (кривые I и 2), а при большем перегреве - медленно понижается. Чугуны, у которых наблюдается графити-зация перлита при нагреве (кривые 3 - 5), проявляющаяся в снижении твердости по сравнению с исходной, имеют Т3 тем выше, чем интенсивнее идут процессы графитизации.
Зная степень эвтектичности , т.е. увеличение содержания графити-зирующих элементов (С, Si, А1), в первом приближении можно рассчитать твердость чугунов после объемной закалки по формуле (3.6), полученной при анализе опытных данных методом наименьших квадратов (рис. 3.11):
Повышение степени эвтектичности, ведущее к увеличению содержания графитизирующих элементов, понижает твердость после закалки, так как повышается температура закалки за счёт повышения интервала температур эвтектоидного превращения, что приводит к укрупнению включений графи Легирующие элементы, как известно из работ [125 и др.], повышают устойчивость мартенсита к отпуску. Изменение твердости в зависимости от температуры отпуска для плавок с различным содержанием кремния представлено в табл. 3.6. Малокремнистые чугуны оказываются более стойкими и незначительно теряют твердость даже после отпуска при температуре 400 С. Чем выше твердость чугуна после закалки, тем выше она после отпуска при одной и той же температуре (рис. 3.12). Следовательно, твердость чугунов после отпуска также определяется степенью эвтектичности, то есть увеличением содержания графитизирующих элементов (С, Si, Al).
При высокочастотной закалке вследствие высоких скоростей нагрева получается мартенсит более неоднородный по содержанию углерода, поэтому в нем более активно, чем в мартенсите объемной закалки, должны происходить процессы распада при отпуске [127]. Так, для серийного чугуна с повышением температуры отпуска растет (табл. 3.6) расхождение значений твердости в зависимости от способа закалки. Однако, для малокремнистых алюминиевых чугунов это расхождение, начиная с 300 С, практически, незначимо, что можно связать с влиянием алюминия и марганца на торможение превращений при отпуске [127].
Устойчивость алюминиевых чугунов с марганцем против отпуска позволяет повышать его температуру и, следовательно, понижать величину остаточных напряжений, обеспечивая значительно большую устойчивость макрогеометрии готовой гильзы при хранении и эксплуатации. Кроме того, вследствие более равномерной и более стабильной твердости рабочей поверхности понижается вероятность образования задиров, приводящих к преждевременному выходу дизелей из строя.
Для выбора чугуна оптимального химического состава была выполнена серия опытных плавок, которые по химическому составу были разбиты на три группы (таблица 3.7) в зависимости от массовой доли углерода:1 - от 3,01 до 3,3 %; 2 - от 3,3 до 3,4 %; 3 - от 3,4 до 3,6 %.1,7 %, так как такое содержание кремния считается лучшим для отливок, подвергающихся поверхностной закалке токами высокой частоты. В каждой группе плавок массовая доля марганца постепенно увеличивалась от 0,8 % до 2,6 - 3,4 %.
Исследования механических свойств показали, что все опытные чугуны по пределу прочности при растяжении соответствовали требованиям стандарта ГОСТ 1412-85 для чугунов типа СЧ20, СЧ21, а твердость по Бринеллю находилась в интервале 210...293 НВ в зависимости от химического состава.
Структура металлической основы опытных чугунов представляла собой мелкодисперсный перлит Пд 0,3 - 0,5. Структурно свободный цементит нежелательный в чугунах, упрочняемых закалкой ТВЧ, в первой группе плавок появлялся при массовой доле марганца более 2 %, во второй группе с меньшим содержанием кремния при массовой доле Мп 1 %,, в третьей группе - уже при 0,74 % Мп. В чугунах первой партии исследовано изменение микротвердости перлита с увеличением массовой доли марганца, которое показало её возрастание с 2,96 до 3,81 ГПа, что, очевидно, связано с увеличением дисперсности перлита и с легированием марганцем феррита и цементита перлита.
Чтобы избежать отбела в отливках, константа графитизации Кг1 при эвтектическом превращении не должна быть меньше четырех. Третья группа чугунов не удовлетворила этому требованию.
Количество графита менялось от сплава к сплаву незначительно от Г4 до Г6, а его распределение в металлической основе различно: равномерное, неравномерное и междендритное. Форма графитных включений пластинчатая прямолинейная или завихренная. Однако, встречалась как вермикуляр-ная извилистая, так и нитевидная форма. Размер графитных включений колебался от 30 до 60 мкм, но встречались Граз 25 и Граз 90.
