Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Анализ характера износа коленчатых валов, поступающих в ремонт 7
1.2. Особенности метода дробеструйной обработки 18
1.3. Особенности гидродробеструйного способа обработки 24
1.4. Конструкции гидродробеструйных установок 27
1.5. Задачи исследования 30
2. Теоретические предпосылки к созданию гидродробеструйной обработки коленчатых валов 31
2.1. Рабочие гипотезы, используемые при создании основ теории ГДО 31
2.2. Баланс энергии при ударе 32
2.3. КЛ.Д. удара при ГДО 37
2.4. Математическое моделирование процесса ГДО 38
2.5. Остаточные напряжения при ГДО 44
2.6. Микрогеометрия поверхности детали при ГДО 46
2.7. Наклеп при ГДО 50
3. Методика экспериментальных исследований 53
3.1. Методика определения основных технологических параметров процесса гидродробеструйной обработки 53
3.2. Методика исследования остаточных напряжений 62
3.3. Методика исследования триботехнической работоспособности соединения «шейка коленчатого вала - вкладыш» 66
3.4. Методика много факторного планирования эксперимента по определению основных технологических параметров процесса
ГДО шеек коленчатых валов 71
4. Результаты экспериментальных исследований 79
4.1.. Результаты определения технологических параметров процесса гидродробеструйной обработки 79
4.2. Оценка остаточных напряжений 90
4.3. Результаты исследований показателей качества ГДО методом математического планирования экспериментов 93
4.4. Триботехнические испытания соединений ««шейка коленчатого вала — вкладыш» двигателей ЗИЛ-130 103
5. Разработка технологического процесса восстановления коленчатых валов и оценка его экономической эффективности 105
5.1. Разработка технологического процесса восстановления коленчатых валов с применением гидродробеструйной обработки 105
5.2. Оценка экономической эффективности предложенных разработок..! 14
Общие выводы 118
Список использованных источников
- Анализ характера износа коленчатых валов, поступающих в ремонт
- Рабочие гипотезы, используемые при создании основ теории ГДО
- Методика определения основных технологических параметров процесса гидродробеструйной обработки
- Результаты определения технологических параметров процесса гидродробеструйной обработки
Введение к работе
Повышение качества и надежности восстановленных коленчатых валов, за счет создания внедрения новых ресурсосберегающих технологических процессов, повышения их производительности требует не столько обеспечения точности размеров, но и заданных физико-механических свойств поверхностного слоя; остаточных напряжений, наклепа (степень и глубина), рельефа микрогеометрии, которые имеют в большинстве случаев превалирующее значение в обеспечении надёжной работы детали и всего изделия. На сегодняшний день наиболее актуальной проблемой является восстановление геометрических размеров коренных и шатунных шеек без существенного снижения усталостной прочности коленчатых валов
Одним из эффективных путей решения изыскания резервов дальнейшего повышения долговечности и надежности коленчатых валов, является применение поверхностно-пластической деформации, в частности гидродробеструйной обработки (ГДО). Гидродробеструйное упрочнение (ГДУ) наиболее пригодный для изделий самой сложной конфигурации, к которым относится коленчатый вал, где пластической деформации поверхности подвергаются коренные и шатунные шейки посредством ударного воздействия потока стальных шариков эжектируемые смазывающе-охлаждающей жидкостью (СОЖ). К достоинствам этого процесса можно отнести высокую производительность, относительно низкую стоимость специального оборудования и небольшие эксплуатационные затраты.
Таким образом, проблема теоретического и экспериментального исследования технологических процессов ГДО и методов ускоренных испытаний деталей на усталостную прочность является актуальной.
Цель исследования - разработка и внедрение новой технологии ремонта коленчатых валов с использованием гидродробеструйной обработки, повышающей износостойкость и усталостную прочность отремонтированных коленчатых валов.
Объект исследования - отремонтированные коленчатые валы двигателей семейства «ЗИЛ».
Научная новизна работы Установлено влияние процесса ГДО на повышение долговечности КВ. Разработана математическая модель процесса ГДО в, которой учитывается параметр угла атаки удара дроби, а также комплексно рассмотрено влияние энергии удара на величину пластической деформации материала. Проведены многофакторные эксперименты, в которых установлены зависимости между режимами обработки и параметрами качества поверхностного слоя. Разработана методика определения основных технологических параметров процесса.
Методика исследований Научные исследования диссертационной работы основывались на использовании общих законов и методов математической статистики, теории принятия решения, методов вычислительной математики и имитационного моделирования на ЭВМ. Применялись также теории пластичности, гидродинамики. Проверка теоретических и экспериментальных выводов базировались на реальных результатах измерений.
Практическая значимость работы заключается в разработке и внедрении: нового технологического процесса восстановления коленчатых валов двигателя ЗИЛ-130 с применением ГДО; разработка установки для упрочнения коленчатых валов, на которую получен патент. Реализация результатов исследования. Разработанный технологический процесс внедрен на автотранспортных предприятиях г. Тольятти - ОАО «ТЕВИС» и МП ТПАТП -3, используется в учебном процессе на кафедре
«Техническая эксплуатация автомобилей и восстановление деталей» Толь-яттинского государственного университета. Научная новизна работы подтверждена патентом № 2231437.
Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены и одобрены на Международном научном симпозиуме «Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа» на секции упрочняющие технологии и покрытия.(г. Москва, 1999 г.); V Международная научно-практическая конференция «Проблемы развития автомобилестроения в России ».( г. Тольятти, 2000 г.); Тольяттинский политехнический институт (г. Тольятти, 2000 г.); VII Международная научно-техническая конференция «Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин», (г. Пенза, 2001 г.); на Всероссийской конференции с международным участием «Прогрессивные техпроцессы в машиностроении», (г. Тольятти, 2002 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», (г. Тольятти, 2003-2005 г.г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 1 патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, включает 29 рисунков и 24 таблицу, список литературы содержит 129 наименований.
Анализ характера износа коленчатых валов, поступающих в ремонт
Особое место среди деталей, ограничивающих ресурс двигателя внутреннего сгорания (ДВС) следует отнести коленчатый вал (KB). Качество его восстановления во многом определяет надёжность двигателя в целом. Высокие требования к качеству ремонта, значительная стоимость делают проблему восстановления KB особенно актуальной [3, 16, 27, 28, 30, 35,44,51,101].
Коленчатые валы автомобильных двигателей изготавливаются из конструкционной стали 45 с более суженными пределами содержания углерода (стали селект), а также из конструкционной легированной стали 40Х , 45ХН, 40Г2, 50Г (с повышенным содержанием марганца - KB двигателя ЯМЗ), 50ХФА, 38ХГН и др, Тяжелонагруженные KB изготавливают из стали 12ХНЗ, 40Х, 40ХН [13]. Для ряда двигателей KB изготавливаются литьем из высокопрочного чугуна, например: ВЧ 50-2, ВЧ 60-2 (двигатели ГАЗ) и для двигателей ВАЗ - из чугуна типа Gh, т.е. серого чугуна с шарообразным графитом марок: Gh 75-50-03, Gh 65-48-05, Gh 56-40-05. Для повышения износостойкости и долговечности шатунных и коренных шеек KB подвергаются предварительному улучшению- закалке и высокому отпуску или нормализации с последующим упрочнением шеек (химико-термическая обработка, закалка ТВЧ до твердости HRC 52..62), после чего шлифуют. С целью повышения износостойкости шеек KB проводят суперфиниш коренных и шатунных шеек. Шероховатость поверхностей коренных и шатунных шеек должна соответствовать Ra = 0,32 мкм, других поверхностей не более Ra =2 мкм.
Коленчатый вал ДВС при работе подвергается периодически действующим нагрузкам от давления газов и сил инерции возвратно движущихся и вращающихся частей [112, 113]. Особенности кинематики кривошипно- шатунного механизма (КШМ) и условий его работы вызывают неравномерность удельной нагрузки , действующей на шейки вала , что приводит к искажению их геометрической формы и различию износа коренных и шатунных шеек. Шатунные шейки (ш/шейки) по сравнению с коренными имеют более низкие показатели износа, - на 30...40% и более [30]. С другой стороны ш/шейки основное время находятся под действием инерционных нагрузок и соответственно изнашиваются больше стороны, обращенные к оси KB [29, 2]. Хотя инерционные нагрузки по величине меньше максимальных нагрузок от давления газов, все же последние вызывают значительно меньшие износы по сравнению с первыми, поскольку действие их является кратковременным. Неравномерность нагрузок в течении цикла и их систематическая периодическая повторяемость вызывают неравномерный износ ш/шеек по окружности. Искажение геометрической формы ш/шеек получается большим по сравнению с к/шейками Конусность ш/шеек возникает вследствие неодинаковых условий смазки шеек по их длине [5].
К общим причинам износа поверхности шеек KB, где возможны все известные виды трения [83, 113]: при нормальной эксплуатации - жидкостное трение, при ухудшении условий смазки - граничное, и при нарушении системы подачи смазки и тем боле прекращение её - трение без смазки, следует отнести практически все основные виды изнашивания, например , такие как гидроабразивное изнашивание (в результате воздействия твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости), абразивное изнашивание (в результате режущего и царапающего действия твердых частиц, независимо от того как попадают эти частицы в зону трения - из вне или они содержатся в одном из трущихся тел, как, например, в металлопокрытиях восстановленных деталей), коррозионно-механическое или окислительное изнашивание (возникает при наличии на поверхности трения защитных пленок, образовавшихся в результате взаимодействия материала KB с кислородом), износ схватыванием (1 рода- при отсутствии смазки и защитной пленки окислов при трении с малыми скоростями и удельными давлениями; 2 рода - при трении скольжения с большими скоростями относительного перемещения и значительными удельными давлениями, при интенсивном повышении температуры в поверхностных слоях трущихся металлов и их пластичности [52, 91]
В связи со сложностью теоретического изучения комплекса факторов на процесс износостойкости КШМ, основное внимание уделяется экспериментальным исследованиям [10, 41, 57, 58]. В частности, установлено, что при эксплуатации коленчатых валов неизбежным дефектом является износ коренных и шатунных шеек. Одним из часто встречающихся дефектов являются задиры на шатунных шейках - 44% коленчатых валов, поступающих в капитальный ремонт [44]. Причиной задиров ш/шеек могут быть недостаточная подача масла к шейкам вследствие забивания масляных каналов, а также потеря натяга вкладыша. Задиры наблюдаются , например на двигателе ЗИЛ - 130 преимущественно по 3-му кривошипу [30]. Шатунные шейки изнашиваются сравнительно равномерно, достигая на некоторых двигателях 0,102 мм. Коренные шейки изнашиваются неравномерно (на ЗИЛ - 130 износ к/шеек достигает 0,17 мм) [44]. Характерным в износе к/шеек является наличие неизношенного пояска от масляной канавки во вкладышах. Из данных исследований (3) следует, что кривые распределения износа ш/шеек имеют большие рассеивания и более высокие значения износа, чем у к/шеек. Так максимальные износы шеек ДВС ЯМЗ -236 за пробег 190 тыс. км. составили: ш/шеек — 0,11 мм и к/шеек - 0,08 мм.[30,42].
Рабочие гипотезы, используемые при создании основ теории ГДО
Процесс ГДО является весьма многогранным, т.к. он связан с такими сложнейшими явлениями, как удар сферой, трение, упруго-пластическая деформация, теплофизические процессы и др. Поэтому с целью попытки создания основ теории процесс ГДО рассматривается в весьма различных аспектах, в той или иной степени раскрывающих сущность природы этого процесса. В отдельных случаях для создания связи микроизменений в металле с внешними воздействиями, определяющими технологические параметры, процесс ГДО рассматривается как с микро,-так и с макро- точек зрения.
Для решения поставленных задач в теоретическом плане определим следующие гипотезы.
Гипотеза первая: применение СОЖ при ГДО обеспечивает снижение температуры в зоне контакта, причем не за счет охлаждающей способности СОЖ и охлаждения этой зоны, а за счет её смазывающей способности, обеспечивающей резкое снижение количества энергии, затрачиваемой на контактное трение при внедрении шара в тело. Она основана на законах теории трения и была применена при изучении теплофизики процесса ГДО и ДО.
Гипотеза вторая: при ГДО исходные радиусы микровпадин (надрезов) шероховатости поверхности в зоне дна лунки увеличиваются, а при ДО - уменьшаются. Она основана на отдельных положениях теории пластичности и гидродинамики [70, 93, 96]. Данная гипотеза была положена в основу при установлении закономерности при создании микрогеометрии в зоне дна лунки от удара сферой при условии ГДО и ДО.
Рассматривая поток дроби, выделим из неё одну дробинку и будем считать, что она со средней скоростью потока V у ударяется о поверхность упрочняемого тела, сухого или покрытого пленкой СОЖ. Процесс внедрения шара в тело считается одним из наиболее сложных в изучении, поэтому схематизируем его. В частности, будем считать в первом приближении дробинку идеально твердым шаром. Как известно, кинетическая энергия такого шара диаметром D перед ударом о тело имеет соотношение: J = mVy2/2 (2.1)
Несмотря на то, что технические металлы, из которых изготовляют упрочняемые детали, являются поли кристаллическим и с анизотропными направленными свойствами, будем считать, согласно принятым упрощениям в теории упругости и пластичности [4, 33, 43, 95], материал детали однородным, когда строение и состав одинаковые в любых точках, и изотропным, когда свойства по всем направлениям одинаковые.
Представим мысленно металл в зоне будущей лунки разделенным на элементарные объемы в виде прямоугольных столбиков-призм с квадратным сечением площадью S - а1 и высотой, равной глубине наклепа Ы (рис. 2.1.). Номера столбиков обозначим, начиная от оси (центра удара), в радиальном направлении от/до і и т. д. Номер столбика находящегося в пределах зоны лунки диаметром d, можно определить по соотношению:
По И. В. Кудрявцеву, кН« 1,5. По данным [40], кН 1,25. В связи с тем, что кНі зависит от многих факторов, в частности, материала, вида трения при ударе, скорости удара и т. д., тогда для расчетов высоты столбиков и области пластической деформации в зоне лунки будем считать, что она определяется объемом тела, ограниченным полусферой, образованной окружностью DMd, которая проведена из центра начального контакта шара с телом (центра лунки): Опл.д.-пдн -кн1= nd-d, (2.7) где пд и пдн- коэффициенты пропорциональности, пд 2 л , пдн 2.
Будем считать, что поверхность тела плоская и расположена под углом атаки а=90 к потоку дроби. Дело в том, что наиболее эффективным в процессе ОД является прямой удар дробинок о поверхность детали [106], он наименее изучен с точки зрения влияния коэффициента трения в зоне контакта. В то же время переход к косому удару (а 90 ± 15 ) несложно осуществить путем использования формул М.М. Саверина [93] , где вводится значение синуса угла атаки. На основе вышеизложенного составим баланс энергии процесса ГДО.
Для составления баланса энергии представим процесс удара шаром о плоскую поверхность тела покрытого плёнкой СОЖ, в виде отдельных законченных этапов движения шара (рис. 2.2) и рассмотрим их каждый отдельно.
Методика определения основных технологических параметров процесса гидродробеструйной обработки
При гидродробеструйном упрочнении оцениваем режим обработки технологическими параметрами, аналогично параметрам процесса дробе-ударной обработки [80]. Разделим эти параметры на два вида, постоянные и изменяемые, и рассмотрим их применительно к ГДО. Постоянными и будем считать те параметры, которые зависят от конструкции установки и загрузки её рабочими телами (шариками) и смазывающе-охлаждающеЙ жидкостью (СОЖ). К ним относятся: размеры сопла-эжектора, диаметр сопла и расстояние от среза сопла до оси вращения детали, инструмент-шарики (марка материала, размер, количество шариков в камере), расход дроби через каждое сопло кг/мин). Изменяемые параметры определяют максимальные значения выходных параметров упрочняемой детали. К ним относятся: время упрочнения to6 (мин ) и давление жидкости Рж (МПа ).
При определении оптимального режима ГДО необходимо решение следующих частных задач: - определение режима ГДО для обеспечения заданной шероховатости, твердости, глубины наклепа или величины остаточных напряжений; - проверка параметров режима ГДО по имеющимся данным параметров качества поверхностного слоя.
Для установления эффективности ГДО определим интенсивность обработки, которая зависит от потенциальной эффективности и угла удара дроби о деталь.
Для проведения экспериментально-исследовательских работ по гидродробеструйной обработке шеек коленчатых валов была разработана и изготовлена опытная установка ГДУ-КВ (рис. 3.1) в 2004г. получен патент на изобретение Российской Федерации № 2231437, которая состоит из следующих основных элементов (рис.3.2): рабочей камеры 1 с крышкой 2, насосной станции 3, двумя трубопроводами: всасывающим 4 - обеспечивающим забор смазывающе-охлаждающей жидкости (индустриальное масло ИГП-38 ТУ 38.101413-97) из рабочей камеры 1 и нагнетающим 5-падающим масло под заданным давлением за счет регулировки вентилем 6, давление определяется по манометру 7, контроль температуры по индикатору 8, время обработки устанавливается реле-временем 9.
Для оценки выбора инструмента (дроби) для ГДО поверхности шеек коленчатых валов определяли следующие требования: - незначительное различие по величине дроби для того, чтобы кинетическая энергия дроби была равномерной по всему поперечному сечению поверхности и инвариантной по времени; - круглая форма дроби для предотвращения вдавливания на большую глубину; - равномерная твердость, так как упрочняющее действие зависит от твердости дроби для ГДО; - стойкость дроби к износу и откалыванию.
Далее исследуем влияние величины дроби при давлении (скорости дроби) и времени обработки на достигаемую при ГДО стальными шариками шероховатости поверхности на плоских образцах из стали 45 на профило-графе - профилометре типа модели 253 по ГОСТ 19299 - 73 «Толисерф-4» (Англия), которые жестко закреплялись на приспособлении (рис. 3.5) и подвергались ГДО с одной стороны.
Производительность установки ГДУ-КВ для упрочнения коленчатых валов определяется путем замера расхода дроби за время (продолжительность гидродробеструйной обработки), что определяет степень покрытия (в %).
Замер минутного расхода дроби для каждого сопла - эжектора, т.е. его производительности (кг шариков в минуту), осуществляется при помощи расходомера дроби (рис. 3.4). Для замера расхода дроби расходомер устанав ливается стволом 1 на сопло-эжектор, тяга 2 выводится за пределы камеры, через отверстие в камере установки. Устанавливался заданный режим (давление СОЖ), после чего осуществляется оттяжка тяги 2 на 1 с, что приводит к повороту выходной части ствола 3 вокруг оси 4, после чего тяга 2 опускается. Выключив установку, приспособление с дробью взвешивается. Зная массу приспособления, определяется расход дроби за период отсечки и далее минутный расход по формуле:
Результаты определения технологических параметров процесса гидродробеструйной обработки
Планирование основано на статистическом много факторном эксперименте. Методика предусматривает использование матрицы планирования с последующей проверкой воспроизводимости эксперимента, проведением статистической оценки коэффициентов регрессии и проверкой полученной математической модели на адекватность [24, 97].
При активном планировании эксперимента вначале выбирается центр плана. Уровни факторов располагаются симметрично относительно центра плана при одинаковом шаге варьирования. При этом, поскольку каждый уровень одного из факторов сочетается с уровнями других факторов, то вокруг центра плана образуется так называемое факторное пространство. В общем случае число точек факторного пространства составляет: N = nm, (3.13) где п - число уровней; т — число факторов.
Каждой точке факторного пространства отвечает опытное значение функции отклика. Совокупность значений функции отклика, отвечающих точкам факторного пространства, называется поверхностью функции отклика. Таблица, содержащая значения уровней факторов, называется матрицей планирования. Уровни факторов в матрице планирования обычно записываются в кодированном виде, т.е. в условных величинах -1; 0; +1. После получения математической модели от кодированных значений переходят к натуральным значениям факторов. Для проведения эксперимента необходимо на первоначальном этапе задаться входными факторами (табл. 3.1).
В таблице входные факторы закодированы символами , и х2, что является необходимым для дальнейших расчетов.
В качестве выходных параметров могут быть приняты: шероховатость поверхности у1 и твердость упрочненного слоя Y2. Таким образом, для случая двух входных и выходных факторов матрица планирования двухфакторного эксперимента (табл. 3.2.).
По данной матрице проводят четыре опыта с необходимым числом повторений каждого на новых поясках одного и того же образца и, замерив Yl и У2 заносят их в таблицу 3.2. Число повторений опытов определяется следующим образом: - проводят установочную серию опытов, т.е. обрабатывают детали или образцы на двух крайних режимах, принятых в матрице планирования; - вычисляют среднее арифметическое: — 1 " х = -х5 ,, (3.14) п ы где п — число повторных опытов.
Далее, вычислив величину среднеквадратичного отклонения = \-L.x±(Xl-x)\ (3.15) где (х,-х) погрешности отдельных измерений при доверительной вероятности Р = 95%, выбрав численное значение критерия Стыодента t (Р, п) и задавшись требуемой точностью результата (доверительным интервалом) Д, определяют минимальное число повторений опытов: -= №" -+А , (3.16)
При дальнейшем проведении экспериментальных исследований на данном оборудовании в пределах избранных режимов из полученных двух величин Nmin, необходимо принять большее из них. Тогда точность результатов для каждого опыта оценивается по выражению х = х±& при относительной погрешности у0 = — х100%. Далее с учетом JVm;„ проведем эксперимент и, по X лучив ряд случайных величин Y,, необходимо проверить каждый ряд на наличие грубой ошибки. Для этого следует найти среднеквадратичное отклонение измеряемой величины при выборке: и абсолютную величину разности х х\ между «выскакивающим» значением х и средним значением х остальных измерений разделить на полученное \Х —Х\ значение ov,: —-—-. Если при данном количестве измерений T} IJKP при ко ", эффициенте надежности а, то с надежностью а можно считать «выскакивающее» значение грубой погрешностью и исключить его из дальнейшей обработки результатов. Имея проверенные численные значения Г, получаем возможность составить уравнение. Составляется уравнение в закодированном вида: І = ДЛ+ 5 . + . (3.18) Коэффициенты регрессии определяются при помощи матричного уравнения: В = я, = ag = {xTxY (xTY\ (3.19) Для раскодирования полученного уравнения подставляем в него значе ния хг и х2 : Х]- Дг, Xl Ах2 (3 20) после чего, приведя его к общему знаменателю, получаем искомый вид: r + V + Vi. (3.21) где вместо b0, Ь{ и Ь2 будут стоять численные значения коэффициентов. По искомому уравнению (3.21), проводим анализ влияния теоретических режимов на выходные факторы.
