Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1 Основные дефекты чугунных коленчатых валов и способы их устранения 9
1.2 Усталостная прочность восстановленных чугунных коленчатых валов 16
1.3 Физические основы и реализация процесса электроконтактной приварки 19
1.4 Установки для восстановления деталей электроконтактной приваркой 21
1.5 Цели и задачи исследования 24
Глава 2. Теоретические предпосылки к восстановлению шеек чугунных коленчатых валов электроконтактной приваркой ленты через промежуточный слой 27
2.1 Использование промежуточного слоя для повышения качества восстановления чугунных коленчатых валов электроконтактной приваркой стальной ленты 27
2.2 Влияние основных технологических факторов процесса электроконтактной приварки стальной ленты на предел выносливости восстановленных чугунных коленчатых валов 33
2.3 Модернизация элементов конструкции экспериментальной установки 011-1-02Н «Ремдеталь» 44
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 53
3.1 Программа экспериментальных исследований 53
3.2 Оборудование для получения покрытий электроконтактной приваркой стальной ленты 54
3.3 Методики исследования структуры и фазового состава, формирующихся при электроконтактной приварке стальной ленты 56
3.3.1 Методика металлографических исследований покрытий, образованных электроконтактной приваркой стальной ленты 56
3.3.2 Рентгенофазовый анализ 60
3.3.3 Рентгеноструктурный анализ 62
3.4 Методика проведения исследований с помощью растровой электронной микроскопии 68
3.5 Методика ускоренных стендовых испытаний коленчатых валов на усталость 70
3.5.1 Расчетно-экспериментальная методика оценки предела выносливости восстановленных коленчатых валов 70
3.5.2 Методика автоматической обработки данных ускоренных стендовых испытаний на усталость коленчатых валов 76
3.6 Методика триботехнических исследований новых и восстановленных пар трения 80
3.7 Методика определения прочности сцепления нанесенных слоев с основой 87
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 91
4.1 Результаты металлографических исследований покрытий, образованных электроконтактной приваркой стальной ленты 91
4.2 Элементный состав покрытий, полученных электроконтактной приваркой стальной ленты через промежуточный слой 96
4.3 Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ покрытий, образованных электроконтактной приваркой стальной ленты 103
4.3.1 Рентгенофазовый анализ 104
4.3.2 Рентгеноструктурный анализ 107
4.4 Результаты ускоренных стендовых испытаний чугунных коленчатых валов ЗМЗ-24 на сопротивление усталости 109
4.5 Результаты триботехнических испытаний новых и восстановленных пар трения 114
4.6 Результаты испытаний на прочность сцепления нанесенных слоев с основой 120
Глава 5. Разработка усовершенствованного технологического процесса восстановления чугунных коленчатых валов ЗМЗ-24 и оценка его экономической эффективности 124
5.1 Разработка технологического процесса восстановления чугунных коленчатых валов 124
5.2 Расчет экономической эффективности внедрения усовершенствованного технологического процесса в производство 132
Общие выводы 139
Список использованной литературы 141
Приложения
Приложение 1. Профилограммы образцов для триботехнических испытаний
Приложение 2. Технологический процесс восстановления
Приложение 3. Патенты РФ на полезные модели и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ
Приложение 4. Акты внедрения и эксплуатационных испытаний
- Использование промежуточного слоя для повышения качества восстановления чугунных коленчатых валов электроконтактной приваркой стальной ленты
- Рентгеноструктурный анализ
- Результаты триботехнических испытаний новых и восстановленных пар трения
- Разработка технологического процесса восстановления чугунных коленчатых валов
Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что ресурс двигателя в значительной мере определяется состоянием шеек коленчатого вала (KB), износ которых приводит к выходу двигателя из строя. В настоящее время разработаны разнообразные способы восстановления шеек чугунных KB, при этом ни один из них по надежности не отвечает требованиям нормативно-технической документации. Это связанно и с тем, что остаточный предел выносливости восстановленных KB должен быть не ниже 0,85 от уровня новых, тогда как у изношенных чугунных KB он составляет 0,77-0,89. Следовательно, при восстановлении KB необходимо применять технологии, обеспечивающие не только сохранение, но и повышение ресурса.
Одним из перспективных способов восстановления KB является электроконтактная приварка ленты (ЭКПЛ), однако он не получил достаточно широкого производственного применения для восстановления чугунных KB по ряду объективных и субъективных причин, в том числе из-за несовершенства технологии.
В условиях небольших ремонтных предприятий и производственных участков для ремонта и восстановления деталей разной номенклатуры разработка эффективной технологии восстановления чугунных KB остается актуальной задачей.
Цель исследования. Совершенствование технологического процесса восстановления чугунного KB ЭКПЛ с применением в качестве промежуточного слоя порошковых материалов.
Объект исследования. Технологический процесс восстановления чугунных KB 24-1005011-20 двигателя ЗМЗ (ОАО «Заволжский моторный завод»).
Методика исследований. В качестве основных методик применялись системные исследования (системный подход и системный анализ), логика научных исследований и математическое моделирование. В результате разработаны частные методики лабораторных исследований с использованием методов математической статистики, статистического и регрессионного анализа и современных вычислительных средств.
На защиту выносятся:
математическая модель процесса ЭКПЛ, позволяющая установить зависимость предела выносливости восстановленных чугунных KB от параметров режима приварки;
особенности формирования структур и фаз на поверхности чугунных KB при восстановлении ЭКПЛ;
методика оценки характеристик опасного сечения щек KB на основе усталостных изломов;
результаты ускоренных стендовых испытаний на усталость изношенных и восстановленных чугунных KB;
результаты исследования триботехнических свойств пар трения, полученных нанесением на поверхность образцов покрытий методом ЭКПЛ;
- результаты оценки прочности сцепления покрытий, образованных
ЭКПЛ;
- усовершенствованный технологический процесс восстановления чугун
ных KB методом ЭКПЛ с промежуточным слоем.
Научная новизна работы:
получена математическая модель, адекватно описывающая зависимость предела выносливости от параметров режима ЭКПЛ;
определены структура, фазы и физико-механические свойства наносимого слоя, полученного ЭКПЛ на поверхности шеек чугунных KB;
определены пределы выносливости изношенных и восстановленных методом ЭКПЛ чугунных KB основе ускоренных стендовых испытаний на усталость;
установлены триботехнические свойства пар трения, полученных нанесением на поверхность образцов покрытий методом ЭКПЛ.
Практическую значимость представляют:
компьютеризированный комплекс управления ускоренными стендовыми испытаниями на усталость KB (патенты № 101830, № 110188);
компьютеризированная методика расчета предела выносливости KB;
модернизированная конструкция сварочной головки установки 011-1-02Н «Ремдеталь»;
усовершенствованный технологический процесс восстановления чугунных KB способом ЭКПЛ через промежуточный слой.
Реализация работы. Результаты исследований внедрены в учебно-научно-производственном центре ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева», МИП ООО «Агросервис», АРП «Спецремонт» (г. Саранск).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на Огаревских чтениях МГУ им. Н. П. Огарева (г. Саранск, 2009 - 2011 гг.); на научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов МГУ им. Н. П. Огарева (г. Саранск, 2009 - 2011 гг.); на Международной научно-технической конференции «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин» (г. Москва, ГНУ ГОСНИТИ, 2011 г.), на расширенном заседании кафедры технического сервиса машин МГУ им. Н. П. Огарева.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получены 2 патента на полезную модель: «Устройство для контроля и оценки деформации коленчатого вала», «Устройство для автоматического отключения питания резонансного стенда».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, включает 60 рисунков и 18 таблиц, список литературы содержит ПО наименований.
Использование промежуточного слоя для повышения качества восстановления чугунных коленчатых валов электроконтактной приваркой стальной ленты
Как уже было сказано, ЭКПЛ происходит не за счет расплавления поверхности детали и ленты, а в результате их пластической деформации (диффузионные процессы) при прохождении импульса тока /, кА, мощностью Q = r\Ultu, кДж, где ц - кпд процесса ЭКП, %; U- напряжение. В; tu - длительность импульса тока, с, под давлением сжатия Р, кН.
При ЭКП присадочного материала одновременно проводится закалка проточной водой, обеспечивающая скорость охлаждения со, С/с.
Совокупность этих параметров определяют температуру Т в зоне прохождения импульсного тока, скорость пластической деформации є и ее величину 8.
Если между основой (деталью) и лентой ввести компактный порошковый материал с меньшей температурой плавления (рис. 2.1), то соединение материалов произойдет при меньших тепловложениях, что благоприятно повлияет на усталостную прочность восстановленных чугунных КВ.
Соединение привариваемой ленты с основой через промежуточный слой происходит в твердой фазе без расплавления поверхностей. Промежуточный слой активирует диффузионные процессы, в результате которых можно получить сварные соединения с высокой прочностью сцепления при более низкой температуре сварки, меньших давлении и времени выдержки.
Как было установлено В. И. Черноивановым, Э. С. Каракозовым, Б. А. Молчановым и Р. А. Латыповым [62], в зависимости от Т, г и 8 в зоне соединения образуются (рис. 2.1):
1) межатомные связи на отдельных участках или по всей площади контакта, а релаксация напряжений проходит до степени, необходимой для сохранения образующихся связей;
2) общие зерна или новые фазы (при наличии в зоне соединения общих зерен сварные соединения могут иметь высокие пластичность и вязкость, а при содержании новых фаз зависеть от свойств этих фаз);
3) межатомные связи, которые частично или полностью разрушаются остаточными растягивающими напряжениями после прекращения действия уравновешивающихся сжимающих напряжений.
Таким образом, можно предположить, что при сварке твердых сплавов введение промежуточных порошковых материалов позволит решить две задачи. Во-первых, понизить сварочное давление и температуру нагрева, так как сглаживание микронеровностей в данном случае уже происходит не между твердыми сплавами, а между твердым сплавом и пластичным металлом прокладки. Во-вторых, промежуточный порошковый материал активирует процессы взаимной диффузии между прослойкой, поверхностью детали и ленты. По данным [63], при приварке твердых сплавов с промежуточным материалом промежуточный слой способствует устранению или уменьшению термических напряжений.
На рис. 2.2. представлены зависимости прочности на срез т соединения приваренного слоя с основой от параметров I, t, Р [64].
Как следует из рис. 2.2, в области исследованных значений параметров ЭКП - I, t, Р для каждого усилия сжатия Р существуют минимальные значения импульса тока и его длительности, при которых можно получить соединения, обладающие высокой прочностью на срез. Причем для соединения низкоуглеродистой стали со сталью 45 (рис. 2.2, а) при одинаковых значениях импульса тока и его длительности, равной 0,02 с, с ростом давления прочность сцепления на срез падает, а для соединения бронзы БрКМц 3-1 с чугуном СЧ15-32 практически остается постоянной (рис. 2.2, б).
В пределах рассматриваемых задач повышение давления сжатия не приводит к увеличению прочности соединения. С ростом длительности импульса тока при различных значениях импульсного тока и усилий прижатия прочность сцепления покрытия с основой монотонно растет. Следовательно, для каждого сочетания привариваемых материалов существует область режимов, в которой обеспечивается получение соединения с заданными прочностными характеристиками.
Опыт эксплуатации KB, восстановленных различными методами, показывает, что прочность соединения на срез выше 80 МПа обеспечивает работоспособность металлопокрытия [65].
По мнению Э. С. Каракозова [66] прослойки из никеля и сплава монель снижают температуру приварки, поэтому являются оптимальными. Прослойки из сплава системы Ni-Cu необходимо дополнительно легировать упрочняющими элементами.
Сверхпластичные прослойки позволяют в максимальной степени локализовать пластические деформации вблизи контактных поверхностей, тем самым активизировать процесс образования соединения в условиях трехфазного взаимодействия [67]. Порошковые прослойки позволяют снизить требования к качеству подготовки поверхностей и в некоторых случаях снизить температуру процесса. Кроме этого, они препятствуют образованию интерметаллидов при приварке разнородных материалов и снижают уровень остаточных напряжений.
Для прослойки используются фольга или порошковые смеси с температурой плавления ниже, чем у свариваемых материалов. Промежуточный слой может состоять из одного или нескольких материалов, нанесенных в виде смеси или нескольких слоев. Многослойные прокладки (два и более слоев) позволяют компенсировать чрезмерные термические напряжения, возникающие при сварке разнородных материалов, за счет правильного их подбора, последовательности их чередования и толщины элементов прослойки.
В работах [68, 69] приведены сравнительный анализ свойств и возможные варианты применения промежуточных слоев на основе различной фольги, покрытий и порошков. Отмечено, что важным преимуществом порошковых промежуточных прокладок является возможность подбора их состава таким образом, что он будет соответствовать химическому составу свариваемых материалов. А это, помимо прочностных характеристик, позволит получать соединения, которые имеют электрофизические свойства, аналогичные свойствам свариваемых материалов.
Авторы работы [70] установили, что при использовании прослойки из никеля, пермаллоя (50 % N1), монельметалла (80 % Ni-Cu) и трехслойных Cu-Ni с увеличением предела текучести материала прослойки от 500 до 1 600 МПа, прочность соединения растет от 260 до 430 МПа.
В работах [71, 72] показано, что применение порошка в свободно насыпанном виде в качестве промежуточной прокладки не обеспечивает стабильности характеристик сварных соединений. Оптимальным является пористая лента, получаемая прокаткой ультрадисперсных порошков металлов. При этом ее активность в процессе сварки аналогична активности порошка в свободно насыпанном виде.
Предварительные исследования показали, что температура плавления порошковых материалов, используемых в качестве промежуточного слоя должна лежать в интервале 850-1150 С. С целью уменьшения влияния температурного цикла ЭКПЛ на эксплуатационные свойства детали процесс необходимо осуществлять в интервале температур 0,7-0,95 Г„л порошкового материала, используемого в качестве промежуточного слоя.
При восстановлении деталей ЭКПЛ целесообразно совмещать процесс нанесения покрытия с его термообработкой, охлаждением зоны соединения покрытия проточной водой. Температура нагрева порошкового материала должна быть равна или выше закалочной температуры ленты.
Вышеизложенным требованиям отвечают промежуточные слои: никелевые, медно-цинковые, медно-никелевые и т.п., которые обеспечивают высокую прочность соединения при минимальном сопротивлении деформированию. При этом свойства полученного соединения покрытие -деталь в большой степени зависят от химического состава порошкового материала, который применяется в качестве промежуточного слоя, а также связующего вещества, необходимого для закрепления частиц порошка на поверхности металлической ленты.
Опыт восстановления деталей ЭКПЛ показал, что в качестве связующего материала можно использовать акриловый лак, индустриальное масло, технический вазелин или другие подобные материалы. К связующим веществам в пастообразных прослойках предъявляется ряд требований: в процессе приварки они не должны окислять промежуточный слой и соединяемые поверхности, при выгорании не оставлять на поверхности сажистого остатка, а продукты горения не должны быть токсичными.
На основании проведенного анализа и результатов предварительного эксперимента можно заключить, что использование промежуточного слоя при ЭКПЛ на стальные или чугунные детали позволит существенно снизить влияние термомеханического цикла на металл детали и, следовательно, повысить ее эксплуатационные характеристики при динамических нагрузках.
На основании изложенного видно, что требуется провести исследование свойств приваренных металлических покрытий через промежуточный слой из порошкового материала, установить влияние параметров режима ЭКП ленты на формирование покрытия из данных материалов и определить качество соединения и физико-механические свойства покрытия.
Рентгеноструктурный анализ
Методика определения микронапряжений Микронапряжения могут возникать [84]:
1) при пластической деформации поликристаллического образца из-за упругой и пластической анизотропии кристаллов;
2) при неоднородном нагреве или охлаждении тела - появляющиеся при этом растягивающие и сжимающие напряжения могут привести к пластическим сдвигам, в результате которых возникают остаточные микронапряжения; величина микронапряжений будет больше в многофазном образце, если фазы имеют различные коэффициенты теплового расширения;
3) в процессе распада пересыщенного твердого раствора - старения (на границах областей выделившейся фазы и матрицы создаются микронапряжения, связанные с сопряжением решеток);
4) при локальных структурных или химических превращениях (изменение удельного объема какого-то слоя по отношению к основной массе также приводит к появлению микронапряжений).
Микронапряжения кристаллитов вызывают уширение интерференционных линий на рентгенограммах, которое можно характеризовать величиной — [85], где Ad - максимальное отклонение межплоскостного расстояния для данной интерференционной линии от среднего значения d Из уравнения (3.1) следует — = -ctgOAe, то есть эффект размытия линий, обусловленный микроискажениями, растет с увеличением угла в. Поэтому регистрируют интерференционные линии достаточной интенсивности с максимальным углом в.
Микроискажения определяются методом аппроксимации функций. Для этого необходимо получить профили одной и той же интерференционной линии от исследуемого образца и от эталона. Ширина интерференционной линии эталона должна быть обусловлена только геометрическими факторами. По полученным профилям интерференционной линии от образца h(x) и эталона g(x) определяют полуширину линии В и Ъ соответственно. Полуширина линии В растет с увеличением степени деформации, достигает постоянной величины и далее не меняется. Если профиль h(x) линии от исследуемого образца можно аппроксимировать гауссовой кривой, то для съемки на дифрак-тометре усредненная величина углового уширения определяется по формуле
Этот расчет может быть верен лишь в том случае, если уширение интерференционных линий обусловлено только микроискажениями. Однако при пластической деформации и фазовых превращениях одновременно с микроискажениями может происходить измельчение блоков мозаики.
Проанализировав характер распределения дислокаций, сравним отношение fa/fa с отношениями tg&tgfl и sec&secfl. Если отношение fa/fa с учетом экспериментальной погрешности совпадает с отношением тангенсов
Если Д/Д совпадает с отношением секансов или менее данного значения, то можно определить средний эффективный размер блоков по нормали к {hkl} с помощью формулы Dhkl=O,94 2lsec02. (3.4)
Если отношение fc/fix находится между отношениями тангенсов и секансов, то значимы оба источника уширения - МКД решетки и дисперсность. Тогда возможно найти часть физического уширения п, пропорциональную tg(9 и часть уширения т, пропорциональную sec#, а по ним определить Dm и М_
Разделение вклада Вш и — в уширение рентгеновского рефлекса в d hkl случае аппроксимирующих функций Гаусса для рентгеновских линий определяется соотношениями
Методика определения макронапряжений
Макронапряжения возникают при неоднородном нагреве или охлаждении, в процессе холодной прокатки или правки готовых изделий, в результате структурных превращений, при химической и механической обработке поверхности (точении, шлифовке, полировке), а также при нанесении покрытий. Контроль макронапряжений имеет большое значение в практике, так как позволяет значительно повышать надежность изделий в эксплуатации.
Рентгенографический метод определения макронапряжений основан на точном измерении периодов решетки. Так как остаточные напряжения характеризуются однородным сжатием или растяжением (деформацией в упругой области) решетки, то они приводят к однородному изменению межплоскостных расстояний на величину Adhkh а следовательно, и смещению рентгеновской линии на угол АвШ- Величина этого смещения определяется при дифференцировании левой части уравнения Вульфа - Брэгга [83]: Idmsind nX. (3.9)
Рассмотрим плосконапряженное состояние. Оно определяется тремя главными нормальными напряжениями сь СУ2 стз, действующими в трех главных направлениях, в которых связь деформации с напряжениями дается системой уравнений s2=[cr v(aj + а3)/Е; E3=[CJ3-V(CJ1 + a2)J/E.
При однородной упругой деформации сферический элемент объема изотропного тела деформируется в эллипсоид, а деформация в любом направлении, составляющем углы у/и (р с є} и 2 (рис. 3.8) равна: еЩ(р = sj sin2Wcos2(p + 82sin2Wsin2(p + s3cos2 Щ (3Л1) где у/- угол, составляемый этим направлением с нормалью к поверхности; р - азимутальный угол, измеряемый в плоскости поверхности от некоторого произвольного направления.
Аналогично напряжение в том же направлении равно: аЩ(р=СТ18ІП2у,С082(р+С728ІП2 ІП2(р+ G3COS2W.
Для плосконапряженного состояния, т.е. на поверхности тела, =90 и crip:=aicos2y)+a2sin (р.
Таким образом, для определения суммы главных напряжений G G2 ПО выражению (3.13) достаточно измерить деформацию вдоль нормали к поверхности образца, а для нахождения напряжения в заданном направлении а9 необходимо найти єЩ(р при нескольких заданных значениях y/{cp=const) и построить зависимость єщ р = f(sin2 у/). Тогда отсекаемый на оси єщ р отрезок є3 = -v((Ji+a2)/E, а тангенс угла наклона позволит найти сг (рис. 3.8).
Данная методика подразумевает наличие эталона (образца, у которого отсутствуют микро- и макронапряжения). Для ее упрощения можно воспользоваться расчетами, проведенными в работе Я. С. Умайского [85].
Результаты триботехнических испытаний новых и восстановленных пар трения
Триботехническим испытаниям на СМТ-1 были подвергнуты 2 серии образцов-роликов, вырезанных из шеек KB со стандартными вкладышами (АО20-1). Первая серия образцов была вырезана из шейки KB и представляла собой чистый ВЧ50-2; вторая серия вырезана из шейки KB после ЭКПЛ с ПГ-СР2. Триботехнические испытания проводились согласно РД 10.003-2009 и методике, представленной в п. 3.6.
Образцы с помощью специального инструмента обрабатывались таким образом, чтобы контурная поверхность их взаимного прилегания при установке на испытательной машине составила не менее 95 % от номинальной расчетной поверхности контакта. Контроль прилегания осуществлялся методом планиметрирования пятен контакта, обеспечивающего погрешность не более 5 % от его номинальной площади. Допускалась взаимная предварительная приработка образцов непосредственно на испытательной машине под нагрузкой, меньше чем прилагаемая при испытаниях. После достижения указанного прилегания образцы маркировали на нерабочих поверхностях с указанием взаимной ориентации при установке на испытательную машину.
Параметры приработанной шероховатости (Ra) и некоторые характеристики образцов представлены в табл. 4.6.
Исследование шероховатости рабочих поверхностей образцов-роликов показало, что в процессе приработки шероховатость (Ка) снижается от 0,25-0,32 до 0,11-0,16, а при испытаниях на износостойкость изменяется незначительно (рис. 4.22, приложение 1).
По результатам обработки данных экспериментов на прирабатывае-мость для исследуемых серий определены нагрузочные характеристики: максимальная нагрузка Рмн., МПа, характеризующая предзадирное состояние; минимальный коэффициент трения fmin и соответствующая ему оптимальная нагрузка Роп? МПа. Результаты исследования триботехнических свойств приработанных пар представлены в табл. 4.7.
Лабораторные триботехнические испытания пар трения показали, что минимальный коэффициент трения эталонной пары составляет 0,0033, а образцов, восстановленных ЭКПЛ сталью 50ХФА+ПГ-СР2, - 0,0056.
На рис. 4.23 и 4.24 представлен характер изменения коэффициента трения в зависимости от удельной нагрузки для пары ВЧ50-2 - АО20-1 и 50ХФА+ПГ-СР2 - ВЧ50-2 - АО20-1.
Определение коэффициента трения на различных ступенях нагрузки показало, что при выходе на очередную ступень его значение стабилизируется за время в пределах 2-3 мин и далее практически не меняется. В дальнейшем отмечалось незначительное уменьшение коэффициента трения, обусловленное снижением контактного давления вследствие притирки образцов. При больших нагрузках в ряде случаев несколько возрастал коэффициента трения с повышением температуры при фрикционном разогреве образцов. При визуальном осмотре не выявлено существенных повреждений поверхностей.
На рис. 4.26 представлены графики максимальных нагрузок, характеризующих предзадирное состояние, и оптимальных нагрузок, при которых коэффициенты трения имеют минимальные значения, а поверхности трения обладают наилучшей несущей способностью.
Анализ рис. 4.26 показал, что максимальная несущая способность у образцов, восстановленных ЭКПЛ - 50 МПа, а минимальная - у образцов, не проходивших дополнительную обработку, - 39 МПа. Средние значения оптимальных нагрузок для образцов, восстановленных ЭКПЛ, - 25 МПа, новых -15 МПа.
Суммарная интенсивность изнашивания для каждой исследуемой пары трения определена длительными износными испытаниями при оптимальной нагрузке для каждой пары трения. Сравнение интенсивности изнашивания по фактору износа представлено в табл. 4.8 и на рис. 4.27.
Результаты длительных стационарных испытаний показали, что интенсивность изнашивания пар трения, восстановленных методом ЭКПЛ, составляет 1,69-КГ11, что в 1,14 раза ниже, чем у базовых, - 1,92-Ю-11.
Сравнительная оценка интенсивности изнашивания по фактору износа свидетельствует, что у обработанных методом ЭКПЛ пар трения этот показатель в 1,89 раза ниже, чем у новых. Анализ результатов триботехнических испытаний дал основания сделать вывод, что при восстановлении шеек KB методом ЭКПЛ создается поверхность, обладающая высокой несущей способностью и повышающая износостойкость исходного соединения [110].
Разработка технологического процесса восстановления чугунных коленчатых валов
Технологический процесс проектируется в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД и ЕСТД, а также с учетом дополнений, разъяснений и ограничений, изложенных в руководящих технических материалах и отраслевых стандартах.
При проектировании технологического процесса восстановления детали разрабатывается соответствующая документация: маршрутные карты (МК), карты эскизов (КЭ), операционные карты (ОК), карты технологических процессов (КТП), карты типовых технологических процессов (КТТП) и ведомости оснастки (ВО).
На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований был разработан технологический процесс восстановления чугунных KB 24-1005011-20 производетва ОАО «ЗМЗ».
Технология восстановления изношенных шеек чугунных KB ЭКПЛ включает следующие операции: входной контроль, мойка, дефектация и правка, токарная обработка, КТП, подготовка присадочного материала, ЭКПЛ, сверление масляных отверстий, шлифование шеек, балансировка, контроль KB и консервация.
Перед восстановлением поверхность шеек чугунных KB подготавливается под металлопокрытие с целью обеспечения усталостной прочности. Корытообразный профиль шеек KB обеспечивается в процессе шлифования на круглошлифовальном станке мод. ЗА423 при перемещении шлифовального круга по длине шейки с расчетным отступом от краев. При этом выдерживаются размеры: для коренных шеек ширина 27 мм, глубина 0,1 мм; для шатунных шеек ширина 26 мм, глубина 0,1 мм. Этим сохраняется исходная геометрия галтели в зоне максимальной концентрации напряжений, где зарождаются усталостные разрушения, не внося в нее дополнительные концентраторы от механической обработки и не исключая чистоту поверхности. Лента приваривается на предварительно прошлифованную поверхность на некотором расстоянии от упорного бурта шейки, что предохраняет опасные сечения кривошипа от отрицательного термического влияния способа.
Разгружающие выточки наносятся на шейки KB шлифовальным кругом на круглошлифовальном станке в зоне опасного сечения перпендикулярно плоскости кривошипа глубиной 1,5-2 мм, радиус профиля 3-4 мм. Шейка KB с конструктивно-технологической подготовкой поверхности представлена на рис. 5.1.
Готовые заготовки очищают от следов коррозии и на поверхность равномерно наносят тонкий слой графитовой смазки УСсА (ГОСТ 3333-80), который обеспечивает удержание слоя порошкового материала, после чего наносят порошок ПГ-СР2 (ГОСТ 21448-75) (фракционный состав 20-63 мкм).
Приварку стальной ленты к поверхности шеек чугунных KB осуществляют за два приема; сначала ленту прихватывают, а затем приваривают окончательно. Перед прихваткой устанавливают требуемые режимы: обороты шпинделя - 6 об/мин, подача суппорта (клещей) - 3 мм/об, усилие сжатия сварочных роликов - 1,5 кН, сила сварочного тока - 1,5 кА, длительность импульса - 0,04 с, длительность паузы - 0,08 с. Затем KB закрепляют в патроне установки и подводят сварочные ролики, ширина рабочей части которых 4 мм, к поверхности изношенной шейки в средней ее части. Затем устанавливают ленту таким образом, чтобы край ленты находился над точкой контакта верхнего сварочного ролика и шейки, после чего сжимают сварочные ролики с одновременной подачей охлаждающей жидкости 1,5 л/мин. В момент касания сварочного ролика и ленты включают ток сварки и прихватывают ленту коротким швом (точкой) к поверхности шейки КВ. Закончив прихватку ленты, сварочные ролики переводят в крайнее положение, после чего включают обороты шпинделя, подачу и производят приварку ленты на выбранном режиме.
ЭКПЛ осуществляют сварочными роликами, изготовленными из медных сплавов. Лучшим материалом для них является бронза Бр-НБТ по ТУ 48-21-92-72. Применяемые сварочные ролики для ЭКПЛ и их характеристика приведены в табл. 5.1.
Износ сварочного ролика, т. е. увеличение площади контакта сварочный ролик - деталь, приводит к уменьшению плотности тока и давления сварочных роликов и, следовательно, ухудшает условия формирования сварного шва. Большая плотность тока на контактируемых поверхностях вызывает на грев и деформацию, в результате чего возникают благоприятные условия для налипания материала ленты на сварочные ролики, а также выплесков перегретого металла из зоны сварки. Полностью компенсировать отрицательное влияние износа сварочных роликов на качество сварного соединения корректировкой технологических режимов приварки не удается, поэтому периодически возникает необходимость в восстановлении их работоспособности, то есть в зачистке формы сварочных роликов, что вызывает определенные трудности. Для этих целей разработано технологическое приспособление (рис. 5.3), которое позволяет выполнять зачистку контактной поверхности сварочных роликов непосредственно на установке.
Приспособление служит для ежесменной зачистки (а при необходимости и в течение смены) контактной поверхности сварочных роликов без снятия их с установки. Такой способ их зачистки предпочтительнее, поскольку при этом создаются более благоприятные условия для заточки, не требуется дополнительная регулировка положения ролика после его снятия, заправки и монтажа.
Данное приспособление (рис. 5.4) состоит из следующих элементов: корпуса 1, внутри которого с помощью винта 3 перемещается ползун 2. Винт 3 вращается в посадочных отверстиях. Корпус 1 крепится с помощью болтов 4 к плите 5. Две планки 6 стягивают направляющие 7 от их деформации. Данное приспособление расположено на стойке 8.
Для проведения работ по зачистке сварочных роликов необходимо установить приспособление на стойку, резец 9 установить в посадочное место и закрепить болтами, в патрон вставить вал диаметром 100 мм и зажать вал сварочными роликами под давлением пневмоцилиндров 1,5 кН, затем подвести резец к контактной поверхности роликов и произвести их заточку при частоте вращения 10 об/мин.
Обработанные ролики (оптимальная ширина контактной поверхности 4 мм) далее проходят приработку на образце цилиндрической формы на тех же режимах, на которых производят приварку ленты к детали (рис. 5.5).
Приспособление внедрено в УНПЦ Института механики и энергетики МГУ им. Н.П. Огарева при восстановлении КВ.
После восстановления производят шлифовку шеек, предохраняя галтели от воздействия абразивного круга. Допускаются только финишные операции на галтельных переходах, например полирование галтелей. На рис. 5.6 показаны основные этапы и оборудование разработанного технологического процесса восстановления чугунного KB ЭКПЛ.
