Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследований 11
1.1 Анализ дефектов коленчатых валов КамАЗ. Причины выхода из строя
1.2 Обзор методов восстановления изношенных деталей автомобилей 16
1.3 Восстановление и упрочнение изношенных деталей плазменной наплавкой
1.4 Материалы, используемые для плазменной наплавки 35
1.5 Выводы. Цель и задачи исследований 42
2 Теоретические предпосылки повышения эффективности восстановления изношенных шеек коленчатых валов 45
2.1 Закономерности изнашивания деталей, образующих пары трения, и пути уменьшения их износа 45
2.2 Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей 49
2.3 Пути улучшения качества поверхностей 53
2.4 Теоретические аспекты обеспечение долговечности восстановленных коленчатых валов 56
2.5 Факторы, влияющие на повышение ресурса восстановленных коленчатых валов 62
2.6 64
2.7 Выводы к главе 2 69
3 Методики экспериментальных исследований 71
3.1 Методика получения электроэрозионного порошка из отходов стали Р6М5 71
3.2 Методика исследования гранулометрического состава электроэрозионного порошка из стали Р6М5 75
3.3 Методика исследования формы и морфологии частиц электроэрозионного порошка из стали Р6М5 77
3.4 Методика проведения рентгеноспектрального микроанализа частицэлектроэрозионного порошка из стали Р6М5 79
3.5 Методика проведения рентгеноструктурного анализа электроэрозионного порошка из стали Р6М5 82
3.6 Методика исследования спекаемости электроэрозионного порошка из стали Р6М5 83
3.7 Методика исследования микроструктуры, элементного состава и микротвердости спеченного образца 87
3.8 Объект восстановления – коленчатый вал двигателя КамАЗ-740 89
3.9 Методика проведения наплавочных работ 93
3.10 Методика исследования трибологических характеристик покрытий, полученных плазменной наплавкой электроэрозионного порошка из стали Р6М5 95
3.11 Методика проведения производственных испытаний 101
3.12 Выводы к главе 3 102
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 105
4.1 Результаты исследования гранулометрического состава электроэрозионногопорошка из стали Р6М5 105
4.2 Результаты исследования формы и морфологии частиц порошка из стали Р6М5 107
4.3 Проведение рентгеноспектрального микроанализа частиц из стали Р6М5 109
4.4 Результаты проведения рентгеноструктурного анализа порошков из стали Р6М5 111
4.5 Результаты исследования спекаемости электроэрозионного порошка из стали Р6М5 113
4.6 Результаты исследования микроструктуры, элементного состава и микротвердости спеченной детали
4.7 Результаты исследования трибологических характеристик покрытий, полученных плазменной наплавкой электроэрозионного порошка из стали Р6М5 119
4.8 Результаты производственных испытаний 126
4.9 Выводы к главе 4 127
5 Реализация результатов исследований и их технико-экономическая оценка 130
5.1 Эксплуатационные испытания коленчатых валов, восстановленных по рекомендованной технологии 130
5.2 Технологические рекомендации 131
5.3 Расчет экономической эффективности восстановления коленчатых валов двигателей автомобилей в ООО «РосАвтоТранс 46» города Курска 133
5.4 Выводы к главе 5 137
Заключение 139
Список литературы
- Материалы, используемые для плазменной наплавки
- Теоретические аспекты обеспечение долговечности восстановленных коленчатых валов
- Методика исследования формы и морфологии частиц электроэрозионного порошка из стали Р6М5
- Проведение рентгеноспектрального микроанализа частиц из стали Р6М5
Материалы, используемые для плазменной наплавки
Для восстановления полной работоспособности изношенных деталей необходимо, чтобы они имели первоначальные размеры, геометрическую форму и поверхностные свойства, прежде всего твердость, поскольку все свойства сердцевины, как правило, сохраняются, если не считать отдельных случаев зарождения усталостных трещин. При этом взаимозаменяемость деталей и посадки сопряжений восстанавливаются полностью.
Восстановление геометрической формы и размеров деталей возможно при выполнении следующих технологических операций: наращивание поверхностных слоев материала вместо изношенного; пластическое деформирование для восстановления размеров изношенных участков детали; замена части детали и установка дополнительных элементов; удаление части материала после обработки ее поверхностных слоев. К операции по восстановлению физико-механических свойств материала деталей следует отнести устранение дефектов и упрочнение материала тем или иным видом обработки для ослабления вредного действия микроповреждений в наиболее ответственных участках деталей. Технологические способы восстановления деталей можно представить в виде двух групп: способы наращивания и способы обработки. К способам наращивания относятся способы, при которых изношенный материал детали компенсируют нанесением других материалов, в том числе и синтетических. К ним относятся сварка и наплавка, напыление, металлизация, пайка, нанесение электролитических металлопокрытий и полимерных материалов [5-7].
Однако на практике применяется восстановление лишь геометрической формы деталей путем придания им ремонтных размеров, больших или меньших начального. Хотя посадка сопряжений при этом восстанавливается, взаимозаменяемость сохраняется лишь частично, в пределах только данного стандартного размера, а при свободных ремонтных размерах вовсе нарушается [5, 6].
Поиск новых методов восстановления не прекращается сегодня ни на минуту. Ведь расширение вторичного использования изношенных деталей – огромный резерв в экономической сфере. Об этом говорит опыт экономически развитых стран. Например, в США, по данным Ассоциации дилеров тракторных запчастей, более 500 предприятий непосредственно занимается восстановлением изношенных узлов и отдельных деталей [12].
В процессе эксплуатации на транспортное средство действуют различные факторы, оказывающие существенное влияние на техническое состояние основных узлов, сборочных единиц и отдельных деталей. Так, прежде других материалов, детали из резины, пластины АКБ и пластмассовые комплектующие меняют свои эксплуатационные свойства под действием старения. Значительный ущерб приносит воздействие коррозии на все незащищённые металлические поверхности. Её воздействие настолько ощутимо, что при разработке методов защиты специально выделяют коррозионную усталость, коррозионное растрескивание, коррозионно-механическое изнашивание. По статистике, наиболее частой причиной необходимости замены той или иной детали становится механический износ. Большинство деталей автомобилей, примерно 65 %, имеет износ до 0,15 мм и только 5 % деталей при выходе автомобилей в капитальный ремонт имеют износ более 0,5 мм. Изнашиваясь, сопрягаемые детали начинают взаимодействовать с отклонениями от начальных регулировок, это приводит к ещё более интенсивному износу контактирующих поверхностей. Существенно, хотя и в меньшей степени, на ресурс использования деталей и узлов спецтехники влияет усталость металла. Следствием усталостного износа является выкрашивание. Например, часто наблюдается выкрашивание баббитового слоя на вкладышах подшипников шатунов и коленчатого вала, выкрашивается металл на беговых дорожках сепараторов, на профилях зубьев шестерён. Но воздействие усталости металла можно снизить. Замечено, что причина этого явления чаще всего кроется в неправильной, небрежной сборке либо в нарушении правил эксплуатации [12, 13].
Распределение восстанавливаемых деталей в % к общему числу деталей автомобилей по форме изнашивающихся поверхностей представлено в таблице 1.2.
Ещё одним следствием нарушения норм эксплуатации является коробление деталей. При короблении в «пострадавших» деталях, например в головках блоков двигателей, возникают структурные изменения и большие внутренние напряжения.
Механические повреждения, трещины, пробоины, задиры, а также вмятины и скручивания наблюдаются в наиболее нагруженных местах рам, в корпусных деталях различных механизмов. Трещины могут появляться в радиаторах, в головках блоков, а также на стенках блоков, например при замерзании охлаждающей жидкости.
Теоретические аспекты обеспечение долговечности восстановленных коленчатых валов
Обеспечение заданного качества машин и длительное сохранение его во многом зависит от качества поверхностей их деталей. Основная причина выхода из строя машин - это износ рабочих поверхностей сопряженных деталей. Значительно реже наблюдаются поломки деталей из-за некачественного изготовления, их конструктивного несовершенства или заниженной усталостной прочности. Уменьшение износа повышает долговечность машин, сохраняет заданную конструктором точность и сокращает расходы на ремонт, которые нередко за весь срок эксплуатации машин превышают себестоимость их изготовления. Влияние шероховатости поверхностей сопряженных деталей на их износ в основном проявляется в процессе приработки. В период нормальной эксплуатации износ определяется физико-механическими свойствами поверхностного слоя и режимами работы трущейся пары (скоростью скольжения, нагрузкой, характером смазки). Особенно большой износ наблюдается при частых пусках машин, когда нарушается режим смазки поверхностей трения. Нередко это связано с их задирами и схватыванием.
Для повышения износостойкости трущихся деталей путем уменьшения первичного износа целесообразно создавать поверхности скольжения, шероховатость которых соответствует шероховатости поверхностей приработанных деталей. На первичный износ сопряженных деталей влияют форма и высота микронеровностей, направление неровностей (штрихов обработки) относительно направления скольжения поверхностей, волнистость и макрогеометрические отклонения поверхностей трения. Влияние этих факторов по-разному проявляется при сухом, граничном и жидкостном трении. Островершинные микронеровности изнашиваются быстрее плосковершинных. Шероховатость целесообразно снижать до определенного предела. На очень чистых поверхностях смазка удерживается плохо; в результате возможно увеличение износа и схватывание сопряженных деталей. Поэтому пришабренные поверхности лучше притертых, так как на них имеются углубления («карманы»), удерживающие смазку. Хорошее удержание смазки обеспечивается слоем пористого хрома, пористой структурой металлокерамических деталей, а также системой мелких маслоудерживающих каналов, получаемых вибронакатыванием.
Большое влияние на износ трущейся пары оказывают волнистость и макрогеометрические погрешности сопряженных поверхностей. Эти дефекты уменьшают поверхности контакта и увеличивают удельные нагрузки по сравнению с расчетными, что обусловливает повышенный износ поверхностей сопряжения. Уменьшая волнистость и макрогеометрические погрешности, можно увеличить срок службы соединения.
На уменьшение износа влияют твердость, структура и химический состав поверхностного слоя. Наличие в слое остаточных напряжений сжатия несколько уменьшает износ, а остаточных напряжений растяжения — увеличивает. Это влияние больше проявляется при упругом контакте и меньше при упругопластическом. Износ изменяет остаточные напряжения в поверхностном слое детали. Остаточные напряжения растяжения при износе снимаются, и возникают напряжения сжатия. Остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое повышают долговечность деталей, работающих по принципу качения. Это обусловлено тем, что позади катящегося ролика в материале сопряженной детали (шейке вала, кольце подшипника) возникают напряжения растяжения.
Шероховатость поверхности влияет на прочность деталей, работающих в условиях циклической и знакопеременной нагрузок. Впадины микропрофиля являются своеобразными надрезами на поверхности и в значительной степени влияют на концентрацию напряжений и образование усталостных трещин. Коэффициент концентрации напряжений для поверхностей, обработанных резанием, находится в пределах 1,5—2,5. Особенно вредно наличие рисок от режущего инструмента в местах концентрации напряжений (канавки, резкие переходы в сечениях). Эти дефекты часто являются причиной поломки многих ответственных деталей. Для устранения влияния дефектов предварительной обработки приходится назначать дополнительную отделочную обработку поверхностей ответственных деталей (шатунов, коленчатых валов, дисков и роторов турбин). Влияние шероховатости поверхности на прочность при ударной нагрузке заметно у заготовок из высокоуглеродистых сталей. Наличие наклепа и остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое повышает предел выносливости материала ответственных деталей (пружин, рессор, торсионных валов). Остаточные напряжения растяжения снижают ее. Прочность сопряжений с натягом во многом зависит от шероховатости поверхностей. При запрессовке происходит сдвиг микронеровностей, и фактический натяг уменьшается по сравнению с расчетным. Прочность снижается значительнее при более шероховатых поверхностях. Прочность прессовых соединений выше при шлифовании и развертывании сопряженных поверхностей, чем при их точении и растачивании. При посадке с тепловым воздействием микронеровности не сдвигаются. Прочность таких соединений выше, чем при обычной запрессовке с тем же натягом.
Коррозия в атмосферных условиях возникает легче и распространяется быстрее на грубообработанных поверхностях. Наклеп ускоряет коррозию в 1,5 — 2 раза. Это обусловлено тем, что при пластической деформации поликристаллического материала в нем возникают микроскопические неоднородности, способствующие образованию часто расположенных очагов коррозии. Наиболее интенсивно коррозия распространяется в зонах плоскостей сдвигов и местах выхода дислокаций на поверхность. В агрессивных средах и при высоких температурах шероховатость и наклеп мало влияют на антикоррозионную стойкость. Сопротивление коррозии и эрозии при высоких температурах повышают путем алитирования, плазменного напыления, эмалирования и другими методами обработки поверхностей деталей.
Шероховатость поверхности влияет на условия смазки, трение, теплопроводность и герметичность стыков, отражательную и поглощающую способность поверхностей, сопротивление протеканию газов и жидкостей в трубопроводах, сопротивление кавитационному разрушению в гидравлических машинах и другие характеристики поверхностей и сопряжений.
Методика исследования формы и морфологии частиц электроэрозионного порошка из стали Р6М5
С целью повышения износостойкости, долговечности деталей, экономииметалла и снижения трудозатрат особенно целесообразно применять наплавочные твердые порошковые сплавы. Одним из эффективных механизированных способов нанесения покрытий различной толщины порошковыми материалами, обеспечивающих минимальную глубину проплавления, высокую прочность сцепления покрытия с основой и минимальный припуск на механическую обработку,является плазменная наплавка. Плазменная наплавка характеризуется высокой температурой сжатой дуги порядка 10000 – 20000 оС, локальным вводом в изделие теплоты и широким диапазоном ее регулирования [103].
Качество наплавки шеек зависит от выбора материалов проволоки, флюса и режимов наплавки. Производственные испытания показали, что износостойкость наплавленного слоя получается выше, чем у стали Ст.45. При этом достигается удовлетворительная стабильность дуги, хорошее формирование наплавленных валиков, малая склонность к образованию пор и хорошая отделимость шлаковой корки.
Для наплавки шатунных шеек применяют специальные нерегулируемые центросместители, поворотные головки и призмы. Перед этой операцией масляные каналы закрывают смесью – песок кварцевый сухой, огнеупорная глина, едкий натр, жидкое стекло. Смесь быстро затвердевает на воздухе, поэтому ее вводят в отверстия непосредственно перед наплавкой. После наплавки шеек каналы остаются незаплавленными. По длине шейку наплавляют в два приема: от левой галтели шейки к середине за масляное отверстие и далее от правой галтели до стыка с наплавленным металлом (с небольшим перекрытием).
Такой прием позволяет получить качественный слой наплавленного металла в галтелях шеек (без пор, раковин и флюсовых включений), хорошее проплавление галтели и сохранить постоянный шаг наплавки.
Режим наплавки: полярность – обратная; сила сварочного тока – 160 -180 А; напряжение дуги – 27-28 В; число оборотов вала – 1,5 об/мин; подача продольная – 3,5 мм/об; смещение электрода с зенита – 8 мм; вылет электрода 16-20 мм [103-105].
Для контроля вала при правке на третьей коренной шейке оставляют незаплавленный поясок вблизи отверстия масляного канала.
Для улучшения механических свойств наплавленного металла валы подвергают нормализации в электрической печи, куда загружают одновременно 3-4 вала. Температура нагрева 860-900 оС за 1 час; выдержка при этой температуре – 20 мин. Охлаждают детали на воздухе.
Установка для плазменно-порошковой наплавки (общий вид) Перед токарной обработкой валы проверяют на прямолинейность по биению пояска на 3-й коренной шейке и при необходимости правят на гидравлическом прессе с точностью до 0,2 мм [102].
Для выполнения поставленных целей и задач были использованы: установка для плазменно-порошковой наплавки УД-209 c выпрямителем сварочным ВДУ-506 (рис. 3.11), охлаждение магистральной водой (ГОСТ 2844 – 82), защитная среда аргона (ГОСТ 10157-79) [104, 105].
Методом оптической микроскопии было проведено исследование микроструктуры образцов (по поперечному шлифу). Инвертированный оптический микроскоп OLYMPUS GX51 исследовательский микроскоп предназначен для получения в отражённом свете: светлопольных и темнопольных изображений; изображений дифференциального интерференционного контраста (DIC); изображений в поляризованном свете. Предельное увеличение микроскопа: 1000 (сменные объективы 5, 10, 20, 50, 100) (рисунок 3.12). Микроскоп OLYMPUS GX51 дополнительно оснащен прецизионным сканирующим
Система анализа изображений “SIAMS Photolab” представляет собой программный продукт, предназначенный для проведения обработки и анализа изображений, полученных при помощи цифровых и аналоговых фото- и видеокамер, а также сканеров в ходе проведения микро- и макросъемки. Обработка изображений в «SIAMS Photolab» производится в цепочке взаимосвязанных ячеек, содержащих исходное изображение, результаты промежуточных этапов обработки, конечное обработанное изображение и результаты измерений в виде чисел, графиков и гистограмм. После создания цепочки для обработки нового образца по заданному алгоритму достаточно заменить исходное изображение. При этом у пользователя имеются возможности для визуального контроля и ручной настройки параметров любого этапа обработки. Помимо автоматизированной обработки, система позволяет проводить редактирование изображений в ручном и полуавтоматическом режимах. В системе предусмотрена генерация отчетов формата MS Word и экспорт изображений, числовых и текстовых данных в наиболее распространенные форматы [106].
Поверхность образцов шлифовали и полировали. Шлифование производили металлографической бумагой с крупным (№№ 60-70) и мелким зерном (№№ 220-240). В процессе шлифования образец периодически поворачивали на 90. Смывали частицы абразива водой и подвергали полированию на круге суспензиями из оксидов металла (Fе3O4, Сr2O3, Аl2О3). После достижения зеркального блеска, поверхность шлифа промывали водой, спиртом и просушивали фильтровальной бумагой.
Проведение рентгеноспектрального микроанализа частиц из стали Р6М5
Коленчатый вал двигателя КамАЗ-740, восстановленный по предложенной технологии, был установлен на двигатель автомобиля в условиях ООО АТП «РосАвтоТранс» 05.06.2016 г. Пробег автомобиля с восстановленным валом определим по формуле: S = Sсут n, (5.1) где Sсут - средний суточный пробег автомобиля, км; n - количество дней эксплуатации. Получаем: S = 240 334 = 80160 км. Сравнение износа восстановленной детали с износом обычной за то же время и при тех же условиях работы выявило преимущество восстановленного коленчатого вала.
Далее представлен разработанный технологический процесс по восстановлению коленчатых валов автомобиля КамАЗ плазменно-порошковой наплавкой с использованием электроэрозионных материалов.
Представлен разработанный технологический процесс по восстановлению коленчатых валов автомобиля КамАЗ. Таблица 5.1 - Порядок операций наплавочных работ по коленчатому валу КамАЗ-7 Но мер опера ции Наименование операции Оборудование и приспособления Инструменты и материалы 1 Зачистить кореннуюшейку дометаллическогоблеска Верстак слесарный Шкурка шлифовальная 2 Заглушитьотверстия масленыхканалов, зачиститьповерхность Верстак слесарный Асбестоцементная смесь,молоток слесарный,шкурка шлифовальная 3 Подогретькоренную шейку до200 С плазменнойдугой без подачипорошка Установка для плазменно-порошковой наплавки УД-209, выпрямитель сварочный ВДУ-506 Аргон ГОСТ 10157-79;магистральная водаГОСТ 2844 – 82 4 Наплавить коренную шейку Установка для плазменно-порошковой наплавки УД-209, выпрямитель сварочный ВДУ-506 Аргон ГОСТ 10157-79;магистральная водаГОСТ 2844 – 82;порошковыеэлектроэрозионныематериалы
№операции Наименование операции Оборудование и приспособления Инструменты и материалы 005 моечная установка для мойки коленчатых валов МД-2 МС-6; МС-8; ЛАБОМИД-102; ветошь обтирочная ГОСТ 5354-7 9 010 дефектовочная стол дефектовщика ПМД-70 суспензия ТУ 6-14-1009-74; индикатор ИЧ-10 кл. ГОСТ 577-68; микрометры по ГОСТ 4381-80; МК50-7 5 015 шлифовальная станок круглошлифовальный 3А423 круг шлифовальный ПП 90-50-305 020 контрольная стол дефектовщика ПМД-70 микрометр МК 75-100 ГОСТ4381-80 025 слесарная молоток слесарный ГОСТ 2310-77 графитовый стержень 3908-0092 ГОСТ6070-80 или асбестоцементная смесь; уайт-спирит 50 гр. ГОСТ 3134-7 8 030 наплавочная установка для плазменно-порошковой наплавки УД-209, выпрямитель сварочный ВДУ-506 вольфрамовый стержень, порошковые электроэрозионные материалы 035 термическая электропечь камерная СН 36х12х4/10Н/ 040 контрольная операция стол дефектовщика ПМД-70 суспензия ТУ 6-14-1009-74, индикатор ИЧ-10КЛ ГОСТ 577-68; МК 75-100 ГОСТ 4381-80 045 транспортная кран-балка 050 шлифовальная станок круглошлифовальный 3А423 ПП-90-32-30592А40СМ7К5 кл2 ГОСТ2424-83 055 контрольная стол дефектовщика ПМД-70 индикатор ИЧ-10КЛ ГОСТ 577-68; микрометр МК 50-75 060 шлифовальная станок круглошлифовальный 3А423 ПП-90-32-305 92А40СМ7К5 кл 2 ГОСТ2424-83; карандаш 3908-0092 ГОСТ 6070-8 0 065 контрольная стол дефектовщика ПМД-7 0 микрометры по ГОСТ 4381-80; МК50-7 070 слесарная приспособление для накатки галтелей, шлифования, зенкерования сверло твердосплавное Ф=7мм ГОСТ6647-86; зенковка коническая Ф=10 мм ГОСТ 14953-79 Расчет экономической эффективности внедрения типового технологического процесса восстановления коленчатых валов с аварийными дефектами в виде износа поверхностей шеек выполнен на примере коленчатого вала для двигателя КамАЗ-740 применительно к условиям участка восстановления с годовой программой 50 коленчатых валов в год.
Отсутствие эффективной и недорогой технологии восстановления коленчатых валов двигателей автомобилей с аналогичными аварийными дефектами (особенно иностранных марок) приводит к их заменам на новые. Следовательно, экономическую эффективность определяли в сравнении со стоимостью новой детали: Расчет экономического эффекта сделан по формуле [103]: ц .h.IMI -(C + EH -K).NBOC І (5.2) к Р2+Ен J где Э – экономический эффект, руб.; ЦН – оптовая цена новой детали данного наименования,руб.; h – коэффициент учета затрат на доставку новых деталей (равен 1,1); Р1 и Р2 – величины, обратные срокам службы новой и восстановленной детали; ЕН – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (равен 0,15); С – себестоимость восстановления деталей ил ремонтно-технологическом оборудовании по предлагаемой технологии, руб.; К – удельные капитальные вложения на приобретение и установку ремонтно-технологического оборудования,руб.; N - годовой объем восстанавливаемых деталей, шт. Отношение принято равным 0,91, исходя из отношения Р2+ЕН ресурса работы нового (100%) и восстановленного (90%) коленчатого вала по усталостной прочности. Для распределительных валов это отношение принято равным 1.
Согласно «Рекомендациям по обоснованному применению технологических процессов восстановления коленчатых валов автомобилей двигателей ЗМЗ-53 и ЗИЛ-130» [109] формула 5.2 может принимать немного упрощенный вид (5.3). Тогда годовой экономический эффект, который может быть получен при восстановлении коленчатых валов рекомендуемым способом вместо действующего способа, определяется по формуле: Э = [йЦнКпр - (Свос + ЕнК)]7Vвос (5.3) где h - коэффициент, учитывающий затраты по доставке деталей на ремонтное предприятие (равен 1,1); Цн - оптовая цена производства нового коленчатого вала, руб. Кпр - коэффициент приведения цены коленчатого вала, восстановленного рекомендуемым способом к цене коленчатого вала, восстановленного действующим способом (при отсутствии действующего техпроцесса за основу сравнения принимается цена нового коленвала); Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений Ен = 0,15; А вос - годовая программа восстановления коленчатых валов, шт; К - удельные капитальные вложения, руб. Рассчитываются по формуле: К = Бє+Б-+Бзд (54) Боб - балансовая стоимость оборудования, предусмотренного техпроцессом восстановления коленчатого вала, руб;