Восстановление коленчатого вала

Коренная организационная и техническая реконструкция народного хозяйства обусловила интенсификацию использования строительной, дорожной, коммунальной и автотранспортной техники. В сложившихся условиях развития отечественного дорожно-строительного и автомобильного машиностроения формируется тенденция к увеличению объема ремонтных работ, что в сочетании с замедлением темпов развития системы технического обслуживания и ремонта машин вызывает существенное повышение потерь всех видов ресурсов. В связи с этим широкое применение и совершенствование методов, технологии ремонта и системы ремонтных предприятий исключительно актуально и перспективно в процессе развития народного хозяйства. Для успешного развития дорожно-строительного и автомобильного машиностроения необходима массовая подготовка специалистов различного профиля и разного образовательного уровня, способных организовывать, эффективно руководить производством, овладевать современной технологией и удовлетворять требованиям общества при проведении ремонта машин.

Для достижения этой цели необходимо комплексное проведение мероприятий по следующим направлениям:

организация подготовки квалифицированных рабочих, технического персонала, а также инженерных и научных кадров для ремонтного производства;

разработка теории восстановления машин и проведение исследований, направленных на повышение эффективности ремонта в результате научно обоснованного выбора методов продления долговечности и оптимизации сроков службы машин;

разработка новых технологических методов ремонта машин, использование передового опыта и оказание помощи ремонтным предприятиям в повышении эффективности их работы;

формирование технической культуры в области производства и ремонта машин.

Основы учения о ремонте машин в нашей стране были заложены проф. В. В. Ефремовым. Еще в 1930;х годах под его руководством группой сотрудников МАДИ совместно с работниками НИИАТ впервые были проведены исследования, в результате которых была разработана планово-предупредительная система технического обслуживания и ремонта для первого и второго поколения отечественных автомобилей. Особенностью этой системы являлось то, что техническое обслуживание автомобиля совмещалось с контролем технического состояния его агрегатов и узлов. Работы по техническому обслуживанию предусматривали профилактические цели и должны были способствовать главным образом снижению интенсивности изнашивания деталей и обеспечивать их нормативную долговечность. Ремонт предполагалось выполнять в соответствии с необходимостью. Создание системы технического обслуживания и ремонта, направленной на поддержание автомобилей в работоспособном состоянии в течение всего срока их службы, также предполагало обеспечить высокий технический уровень готовности автомобильного парка и минимальные затраты для его достижения независимо от ведомственной принадлежности.

Выполненные исследования позволили:

сформировать основы теории эффективности ремонтного производства;

дополнить теорию точности механизмов и машин методом определения допустимых отклонений размеров, формы и взаимного положения поверхностей деталей и сборочных единиц при капитальном ремонте машин в зависимости от межремонтного ресурса;

разработать методические и организационные основы управления качеством ремонта автомобилей и дорожных машин на ремонтных предприятиях;

раскрыть основные закономерности образования отдельных дефектов и их комбинаций на деталях;

обосновать стратегии дефектации и установления оптимального числа технологических маршрутов ремонта деталей;

разработать методы оптимизации числа контролируемых параметров при организации операционного и приемочного контроля ремонтируемых деталей, создать новые технологические процессы ремонта деталей с использованием плазменного напыления, пайки и других технологических методов;

разработать метод обеспечения требуемой точности сборки, узлов, агрегатов при капитальном ремонте автомобилей и дорожных машин, особенностью которого является проведение компенсации погрешностей не по отдельной поверхности, а по детали в целом;

разработать научные основы проектирования технологических процессов ремонта деталей с использованием ЭВМ и обосновать методы оценки их качества;

разработать методы решения задач оптимизации специализации, размещения и мощности не только отдельных, но и системы ремонтных предприятий;

разработать методику проектирования технологических процессов разборки и сборки узлов и агрегатов.

Современные рыночные отношения между производителем и потребителем техники вызвали необходимость формирования новой концепции обеспечения качества ремонта машин в условиях минимума затрат на обеспечение ресурса, запланированного заводом-изготовителем.

Интенсивное поступление в Россию в последние годы импортной дорожно-строительной и автотранспортной техники также вынуждает специалистов пересмотреть ранее сложившиеся подходы к организации и технологии ремонта машин. Новые материалы (синтетические, полимерные, композиционные), постоянно совершенствующееся диагностическое и технологическое оборудование обеспечивают возможности постоянного развития существующих и разработки новых методов контроля состояния и восстановления работоспособности машин.

Целью данной работы является совершенствование технологического процесса ремонта шеек коленчатых валов с использованием метода газопламенного напыления. В связи с целью были поставлены следующие задачи:

выполнить анализ существующих методов ремонта коленчатых валов, исследовать условия работы и виды износа коленчатых валов, выбрать оборудование для ремонта, разработать технологический процесс ремонта, подобрать материалы для ремонта, выполнить расчет затрат на ремонт, рассмотреть вопросы техники безопасности при проведении ремонтных работ, рассмотреть экологическую безопасность проекта, на основе технико-экономического расчета показать эффективность восстановления шеек коленчатых валов методом газопламенного напыления в сравнении с широко применяемым способом наплавки шеек валов.

1. Основная часть

1.1 Назначение и условия работы изделия

Коленчатый вал воспринимает усилия, передаваемые шатунами от поршней, и преобразует их в крутящий момент, который через маховик передается агрегатам трансмиссии автомобиля.

Коленчатый вал имеет следующие части (рисунок 1.1): коренные и шатунные шейки, щеки, противовесы, передний конец и задний конец (хвостовик) с маслоотражателем, маслосгонной резьбой и фланцем для крепления маховика. Шатунные шейки служат для соединения коленчатого вала с шатунами. Коренные шейки вала входят в подшипники, установленные в блоке цилиндра. Щеки соединяют коренные и шатунные шейки вала, образуя колена или кривошипы. Противовесы, расположенные на коленчатом валу, воспринимают центробежные силы инерции и создаваемые ими моменты.

Форма коленчатого вала зависит от числа и расположения цилиндров, порядка работы и тактности двигателя. На большинстве автомобильных двигателей применяют полноопорные коленчатые валы, т. е. каждое шатунная шейка расположена между двумя коренными. Таким образом, полноопорный вал имеет коренных шеек на одну больше, чем шатунных. Коленчатые валы изготовляют горячей штамповкой из легированной стали или отливают из высокопрочного чугуна вместе с противовесами или без них. Шатунные шейки коленчатого вала располагают так, чтобы одноименные такты (например, такты расширения) в разных цилиндрах двигателя происходили через равные промежутки (по углу поворота коленчатого вала), а силы инерции, возникающие в цилиндрах, взаимно уравновешивались.

Рисунок 1.1 — Коленчатый вал с маховиком: 1 — шатунная шейка, 2 — щека, 3 — коренная шейка, 4-маховик, 5 — зубчатый венец, 6 — шарикоподшипник, 7 — упорное полукольцо, 8-верхний вкладыш коренного подшипника, 9 — шестерня привода масляного насоса, 10 — шестерня привода механизма газораспределения и других механизмов двигателя, 11 — маслоотражатель, 12-шпонка, 13 — храповик, 14 — шкив привода вентилятора, 15 — пробка, 16 — полость в шатунной шейке, 17- нижний вкладыш коренного подшипника Если расположение колен коленчатого вала не обеспечивает взаимного уравновешивания сил инерции и создаваемых ими моментов, то на таких коленчатых валах устанавливают противовесы или оборудуют двигатели специальными уравновешивающими механизмами.

Для повышения износостойкости и долговечности шатунных и коренных шеек их закаливают с нагревом токами высокой частоты, после чего шлифуют и полируют. Переход от шеек к щекам, называемый галтелью, делают плавным, чтобы избежать концентрации напряжения и возможных поломок коленчатого вала. Для повышения жесткости и надежности коленчатых валов применяют перекрытие шеек.

В шатунных шейках коленчатых валов большинства двигателей имеются грязеуловительные полости для дополнительной центробежной очистки масла. В качестве коренных подшипников коленчатого вала применяют тонкостенные вкладыши. Их назначение — уменьшить трение между шейками коленчатого вала и соответствующими опорами и тем самым снизить скорость изнашивания трущихся поверхностей. Вкладыши изготовляют из сталеалюминиевой ленты.

У коренных вкладышей толщина стенки мала (1,9 — 2,8 мм — для карбюраторных двигателей и 3 — 6 мм — для дизелей), поэтому после их установки на место форма внутреннего отверстия подшипника зависит только от точности растачивания гнезда. В карбюраторных двигателях не применяют коренные трехслойные (стальная лента, медно-никелевый подслой и слой антифрикционного сплава) вкладыши вследствие низкого предела выносливости антифрикционного слоя, а используют двухслойные вкладыши, хорошо работающие в двигателях с большой частотой вращения коленчатого вала и значительными нагрузками.

Широкое использование высокооловянистых сталеалюминиевых вкладышей вызвано тем, что они обладают повышенным сопротивлением усталости, хорошими противозадирными свойствами и коррозионной стойкостью, что увеличивает надежность двигателя.

Вследствие работы сцепления и косозубых зубчатых колес механизма газораспределения возникают силы, стремящиеся сдвинуть коленчатый вал вдоль оси. Особенно большие силы возникают в момент выключения сцепления. Поэтому один из коренных подшипников коленчатого вала делают упорным, воспринимающим осевые нагрузки и удерживающим вал от смещения.

Коленчатый вал удерживается от осевого смещения двумя стальными неподвижными шайбами, установленными с обеих сторон первого коренного подшипника. Переднюю шайбу удерживает от вращения штифты, один из которых запрессован в блок цилиндров, а другой в крышку коренного подшипника. Задняя шайба имеет прямоугольный выступ, входящий в паз крышки. Плоскостью, залитой баббитом, шайба обращена к шлифованному поясу щеки коленчатого вала, а шайба — к упорной стальной шайбе, установленной на шпонке между торцом передней коренной шейки коленчатого вала и распределительным зубчатым колесом.

На переднем конце коленчатого вала, кроме зубчатого колеса, расположены маслоотражатель, ступица шкива привода водяного насоса, вентилятора и генератора. В торец коленчатого вала ввернут храповик, служащий для пуска двигателя при помощи пусковой рукоятки и удерживающий от смещения детали, установленные на конце вала. Передний конец коленчатого вала уплотнен самоподжимным резиновым сальником, расположенным в крышке блока распределительных зубчатых колес, и маслоотражателем. Масло не может попасть на сальник, так как он защищен специальным корпусом с отогнутыми краями. На ступице шкива напрессован пылеотражатель, защищающий сальник от пыли и песка. Уплотнение заднего конца коленчатого вала состоит из сальника, маслосгонной резьбы и маслоотражательного гребня. Маслосгонная резьба или накатка нарезана в направлении, обратном вращению коленчатого вала. Это способствует отводу масла в поддон. Сальник представляет собой асбестовый шнур, пропитанный антифрикционным составом и покрытый графитом. Сальник состоит из двух половин, помещенных в канавки блока цилиндров и держатель сальника, привернутый к блоку. В задний торец коленчатого вала запрессован шарикоподшипник вала сцепления. Фланец, отштампованный как одно целое с коленчатым валом, служит для крепления маховика болтами, изготовленными из высококачественной стали.

Условия работы коленчатых валов: коленчатый вал испытывает большие знакопеременные нагрузки и испытывают три вида нагружения: односторонний изгиб, переменный изгиб и переменный изгиб с кручением. Галтели имеют различные концентраторы напряжений.

Данный коленчатый вал от четырехтактного двухцилиндрового пускового двигателя П23У изготовлен из стали 45Г2. Имеет две коренные шейки: передняя диаметром 50 мм, а задняя — 55 мм и две шатунные шейки диаметром 50 мм, т. е. неполноопорный. На носке вала выполнен шип для крепления распределительной шестерни при помощи сегментальной шпонки, а в заднем конце — шип для крепления маховика с резьбой также при помощи сегментальной шпонки и пазы для установки сальников, маслоотражателей и пылеотражателя.

1.2 Виды износа изделия

Исследования показали, что коленчатые валы в процессе работы подвергаются действию переменных нагрузок и испытывают четыре вида нагружения: односторонний изгиб, переменный изгиб и переменный изгиб с кручением. Галтели имеют различные концентраторы напряжения.

Все подвижные соединения на коленчатом валу (вал — шатун, вал — картер двигателя) выполненные с использованием подшипников скольжения. Роль подшипников выполняют тонкостенные алюминиевые вкладыши.

Смазка подшипников комбинированная: коренные — под давлением, шатунные — разбрызгиванием.

Коренные и шатунные шейки коленчатых валов, а так же галтели подвергаются контактному изнашиванию.

Интенсивность нарастания износа деталей и изменение зазоров подвижных сопряжений в зависимости от продолжительности работы происходят в определённой закономерности.

Первый период характеризуется интенсивным нарастанием износа за сравнительно малый период работы — это время приработки деталей. Износ в этот период во многом зависит от шероховатости рабочей поверхности, а также с увеличением нагрузки в начальный период работы износ деталей значительно повышается.

Второй период, наибольший по протяжённости, соответствует нормальной работе деталей и сопряжений. За время нормальной эксплуатации износ деталей увеличивается на сравнительно небольшую величину, часто называемую соответственным износом. Интенсивность изнашивания при этом во многом зависит от своевременности и качества проводимого технического обслуживания.

Третий период характеризуется интенсивным нарастанием износа деталей вследствие увеличивающихся зазоров в сопряжениях. Работа сопряжений с износами, превышающими допустимые значения, как правило, характеризуется нарушением условий смазки, сопровождается перегревом деталей, появлением шумов и стуков и часто заканчивающимся аварийным разрушением. Такие износы называются предельными. Детали, имеющие предельные износы, к работе не допускаются и являются потенциальными предметами восстановления.

1.3 Анализ вариантов восстановления изделия

Восстановление шеек коленчатых валов до номинальных размеров возможно в результате применения методов наплавки и напыления, но существуют и другие методы.

Технологические процессы восстановления стальных валов наплавкой можно условно разделить на наплавку с последующей термообработкой и наплавку под легированным флюсом без последующей термообработки.

К первой группе необходимо отнести технологический процесс, который был разработан в Саратовском политехническом институте. Этот процесс заключается в наплавке шеек валов проволокой Нп — ЗОХГСА под флюсом АН — 15 с последующей нормализацией, токарной обработкой, закалкой шеек током высокой частоты, шлифованием и полированием. Восстановленные такой технологией валы имеют предел усталостной прочности такой же, как и у предельно изношенных.

Существуют другие способы.

предварительно подогревают весь вал, или шейки до температуры 300−450°С, наплавляют шейки проволокой НпЗОХГСА под флюсом АН — 348А с последующим отпуском, закалкой токами высокой частоты, низкотемпературным отпуском и механической обработкой (это технология Ярославского моторного завода, применяется для двигателей ЯМЗ — 240 и Алтайского моторостроительного производственного объединения — для двигателей, А — 41, А — 01М);

наплавку высокоуглеродистой пружинной проволокой второго класса (ПК — 2) под флюсом АН — 348А с последующей механической обработкой, высокотемпературным отпуском, закалкой токами высокой частоты, шлифованием и полированием (технология Казанского научного исследовательского института автомобильного транспорта);

наплавку шеек электродной проволокой Св — 08 под флюсом АН — 348А с последующим газовым азотированием при температуре 570°С+10°С с временем выдержки 12 часов и полированием шеек (технология КТБ «Авторемонт» применяются для валов двигателей ЗИЛ-130 и ГАЗ-51).

Ко второй группе технологических процессов относят восстановление деталей по следующим схемам:

наплавка цилиндрической части шейки проволокой Нп — 30ХГСА под смесью флюсов АН-348А (20%) и АНК-118(80%) с предварительным подогревом вала до температуры 200−220°С с последующим черновым шлифованием, подрезкой галтелей, ручной и чистовой обработкой (технология ВЕЛО «Ремдеталь» и ГОСНИТИ);

наплавка высокоуглеродистой пружинной проволокой второго класса под флюсом АН-348А с добавкой феррохрома, графита и жидкого стекла

(технология НИИЛТ);

широкослойная наплавка шеек вдоль образующей колеблющимся электродом без заплавки галтелей проволокой Нп — 30ХГСА под смесью флюсов АНК-18 (70−80%) и Ан-60 (20−30%) (технология ЧИМ ЭСХ);

наплавка шеек производится проволокой ПП-АН-122 под флюсом АН-348 с последующей электроконтактной обработкой наплавленных поверхностей вместо шлифования (технология Пермского СХИ);

наплавка с предварительным подогревом до 200 °C проволокой Нп — 70 под флюсом АН-348А легированным феррохромом и феррованадием (технология Оренбургского СХИ).

Одной из основных проблем, возникающих при наплавке чугунных валов, является их деформация, то есть укорачивание на 2,8−3,2 мм. В некоторых случаях восстановленные валы из-за значительного укорочения нельзя устанавливать в блок цилиндров.

Эффективным средством устранения деформации валов является их жёсткое крепление в процессе наплавки и термообработки — медленным нагревом деталей вместе с печью в течении 3 часов до температуры 680 °C, выдержка при этой же температуре в течении 3 часов и охлаждение вместе с печью до температуры 350 °C, затем на воздухе.

При применении для восстановления шеек коленчатого вала (чугунного) способа П (порошковой проволокой ПП-АН-122 в два слоя) и ШТ (широкослойной проволокой -0,8 с ферромагнитной щеткой, с последующим высокотемпературным отпуском) линейные деформации деталей после наплавки, незначительны, а запас усталостной прочности больше единицы. Поскольку применение метода ШТ связанно с дополнительными затратами на термическую обработку, предприятиям можно рекомендовать комбинированный способ восстановления шеек чугунных коленчатых валов: коренные шейки наплавляются методом ШТ, шатунным методом П, или М (проволокой Св-08 под слоем легированного флюса по металлической обработке).

Курским политехническим институтом и ИЭС имени Е. О. Патона разработан процесс многоэлектродной наплавки коленчатых валов под слоем флюса в раздельные сварочные ванны. При этом на поверхность шейки за один оборот одновременно наплавляется без перекрытия параллельные кольцевые валики, число которых зависит от длины шейки и ограничивается мощностью источника тока. При следующей обработке детали включают второй подающий механизм и вторая группа из валиков заплавляет промежутки между первыми.

Используя электродную проволоку различных составов, применяя многоэлектронную наплавку, получают разнородный наплавленный слой. Так, всю поверхность шейки можно наплавлять электродами, обеспечивающими высокую твёрдость, а галтели — электродами, создающими достаточную пластичность металла.

1.4 Анализ методов восстановления валов напылением

В настоящее время коленчатые валы восстанавливают установкой полувтулок, напылением металла и применением металлических порошков. Электролитическое осаждение покрытий на изношенные шейки валов требует больших затрат времени, вызывает снижение усталостной прочности, поэтому практически не находит применение в производстве. Установка полувтулок на изношенные шейки валов производится на Уссурийском авторемонтном заводе.

Среди различных способов напыления наибольший интерес представляет напыление шеек смесью алюминия, при котором усталостная прочность восстановленных деталей из-за невысокого температурного воздействия на структуру основного металла не снижается. Обработка оксидных покрытий производится алмазной полированной лентой, разработанной ИСМ АН СССР.

Газопламенное напыление порошков осуществляется холодным способом, то есть без последующего оплавления. При этом наносят подслой из порошка ПТ-НА-01, а затем основной слой, например порошком ПТ-АН-01. Подслой наносят на шейки по порядку их следования, а основной слой напыляют после нанесения подслоя.

На рисунке 1.2 показана камера для напыления коленчатого вала, на рисунке 1.3 — процесс газопламенного напыления коленчатого вала. На рисунке 1.5 показан общий вид установки для восстановления коленчатого вала.

Рисунок 1.2 — Камера для напыления коленчатого вала Рисунок 1.3 — Процесс газопламенного напыления коленчатого вала Рисунок 1.4 — Общий вид установки для восстановления коленчатого вала способом газопламенного напыления Припекание металлических порошков к шейкам вала осуществляется по технологическим процессам, разработанным в ЧИМЭСХе. Первая технология основана на контактном припекании металлического порошка.

Применяются такие технологии в режиме спекания. Она включает операции напыления «сырого» порошкового слоя путём напрессования под давлением 420−450 МПа и припекания в печи в среде водорода в течение 20 минут при температуре 1100−1180С. После этого валы подвергают нормализации и шлифованию. В качестве исходной шихты используют смесь, содержащую чугунную стружку (3,9% углерода), 40% железного порошка ПЖ2М и СНГН-55 (контртело бронзовый вкладыш), или смесь, состоящую из 65% омеднённых гранул ТН-20 и 35% бронзы БРОСУ-5−5-5 (контртело-легированный чугун).

Фирма «Реге» (Германия) восстанавливает шейки коленчатых валов наплавкой под слоем флюса с предварительным подогревом вала до температуры 2 5 ОС и местным подогревом шеек ацетиленокислородным пламенем непосредственно перед наплавкой. Наплавку центральной части шейки производят высоколегированной проволокой 2050, а галтелейвысоколегированной проволокой 2025. Флюс для наплавки представляет собой смесь порошка «А» и гранул «В» (А-38,5% SiO2, 18,1% AL2O3, 2% СаО, 10,9% CuFe, 0,57% MgO; B-29,6%SiO2, 13,2% AL2O3, 1,1% CaO, 4,46% CaF2, 15,1% MgO).

1.5 Обоснование выбора технологического процесса восстановления

Наряду с достоинствами различные технологии имеют свои недостатки:

высокие остаточные напряжения.

наличие глубоко проникающей зоны термического влияния высокий уровень тепловложений;

изменение механических свойств основного металла;

невозможность повторного восстановления после наплавки;

возможность наплавки только крупных коленчатых валов;

изменение геометрических размеров валов после наплавки;

вследствие большого припуска на обработку в течение наплавки резко уменьшается относительный ресурс работы шлифовального круга.

Газопламенное напыление не обладает вышеназванными недостатками, что является одним из главных его достоинств.

Фирма «Кастолин» (Швейцария) для восстановления валов применяют различные способы газопламенного и плазменного напыления. Газопламенное напыление шеек проводят в два этапа: сначала напыляют подслой порошка толщиной 0,3 мм, а затем основного материала. Плазменное напыление производится порошками серии «Проксон» (21 031, 21 032), порошком молибдена (18 683), или металлокерамическими порошками.

1.6 Использование процесса напыления

Напыление позволяет существенно повысить жаростойкость, износостойкость, коррозионную и эрозионную стойкость различных деталей машин и инструмента. Однако напыление покрытий имеет ряд особенностей, которые ограничивают область его применения.

Низкая прочность сцепления напыленного покрытия с основой не позволяет восстанавливать и упрочнять детали, работающие в условиях ударных нагрузок. С увеличением толщины напыленного слоя свыше 1,0 мм прочность сцепления снижается поэтому наиболее целесообразно применять покрытия для восстановления деталей с износом до 0,8 мм. С другой стороны, напыление не вызывает значительного разогрева напыляемой детали и не приводит к деформации, структурным превращениям металла основы, снижении усталостной прочности и т. д. С помощью напыления можно наносить покрытия из материалов, которые доступнее всего производить в виде порошка.

Напыление используется для восстановления осадочных мест трансмиссионных валов деформация и снижение усталостной прочности которых не допускаются. Напыление также предпочтительнее при восстановлении чугунных деталей, которые при наплавке склонны к образованию трещин.

Специфическая структура напыления покрытий и их пористость улучшают работоспособностью узлов в условиях трения скольжения со смазкой. Баббитовый подшипник в паре с напыленным покрытием после прекращения подачи масла работал без «заедания» более 190 часов, ч то время как в паре с закаленнай сталью задиры появлялись после двух часов работы без смазки.

В качестве износостойких покрытий используют углеродистую и легированную стали, молибден, самофлюсующиеся сплавы типа «колмоной», оксиды алюминия и хрома. Наибольшей износостойкостью и условиях абразивного трения при низком давлении обладает покрытие из карбида вольфрама с кобальтом. Оно в 2 раза превышает износостойкость покрытия из диоксида алюминия и оксида титана. Последнему несколько уступает износостойкость покрытия из молибдена, но оно в условиях трения превышает износостойкость инструментальной стали с твердостью HRC 63. Молибденовое покрытие, взаимодействуя с серой и смазочного масла, образует дисульфид молибдена, который выполняет роль смазки и значительно повышает износостойкость покрытия. В 2 раза меньшей износостойкостью, чем покрытие из диоксида алюминия, обладает покрытие типа «колмоной», но оно превышает износостойкость отожженной стали 45 в 3 раза.

Для повышения жаростойкости используют напыление вольфрама, молибдена, сплавов на никелевой и кобальтовой основах, оксиды различных металлов. Оксиды также используются в качестве теплои электроизоляционных покрытий. Алюминиевые и цинковые покрытия используются для защиты черных металлов от коррозии.

Напыление производят на распределительные валы, валы различных насосов, поршни, поршневые кольца и цилиндры, выхлопные клапаны двигателей внутреннего сгорания. Эффективно его применение для упрочнения лопаток турбин и дымососов, лопастей вентиляторов, деталей воздуходувок. Напылением упрочняются шнеки питателей, деталей ковшей и черпаков, матрицы, пуансоны и другие элементы штампов и пресс-форм.

1.7 Выбор необходимого оборудования, технологической оснастки

Газопламенное напыление проволоками осуществляется на аппаратах серии МГИ-2. Аппарат МГИ-2 — ручного типа. Привод механизма подачи проволоки осуществляется с помощью встроенной в корпус аппарата воздушной турбинки, которая снабжена центробежным регулятором числа оборотов. Аппарат МГИ-4 выпускается в 2-х исполнениях: МГИ-4А — для работы на ацетиленокислородной смеси и МГИ-4П — для работы на пропанобутанокислородной смеси. Проволока диаметром 1,5−2,5 мм подается со скоростью 1,0−7,5 м/мин. Установка МГИ-5 имеет программное управление, что делает ее предпочтительной в условиях серийного и массового производства. Привод механизма подачи проволоки осуществляется от электродвигателя, а поджигание горючей смеси — от автомобильной свечи.

Для порошкового газопламенного напыления разработаны горелки типа ГН (ГН-1, ГН-2, ГН-3, ГН-4) и ГАЛ-6. Кроме горелок выпускаются установки и наплавочные станки. Установка УГШ-8 состоит из бачка-питателя и распылительного пистолета. Установка 011−1-09 ВНПО «Ремдеталь» имеет вращатель для напыления валов диаметром до 190 мм и длиной до 800 мм. Станок ОКС-11 233, ГОСНИТИ предназначен для напыления тел вращения самофлюсующимися порошками и поставляется в комплекте с оплавляющим станком ОКС-11 235. Установка УГПТ ВНИИ АВТОГЕНМАШ предназначена для ручного напыления широкой номенклатуры деталей самофлюсующимися сплавами. Установка УПН-6 предназначена для напыления покрытий из органических полимеров (полиэтилена и др.)

Установки для плазменного напыления состоят из источника питания, плазмотронов и вспомогательной аппаратуры. Серийно выпускаются установки двух типов: УПУ и УМП.

Установка УПУ-ЗМ имеет следующие характеристики:

плазмообразующие газы — азот, аргон;

скорость подачи распыляемой проволоки диаметром 0,8−1,2 мм — 25−450 м/ч;

фракция порошка 30−150 мкм;

производительность 0,5−10 кг/ч.

Установка УПУ-ЗД снабжена 2-мя плазмотронами:

ПП-25 — для напыления — порошком и ПМ-25 — для напыления проволокой.

Установка УМП-5−68 (мощность 30 кВт) поставляется без источника питания, а УМП-6 (мощность 30 кВт) укомплектована 3-мя сварочными преобразователями ПД-502У2. Последняя позволяет производить напыление внутренних поверхностей деталей диаметром до 35 мм.

Установка А-1612.У4 «Киев-4» (мощность 48 кВт) позволяет наносить покрытия из молибдена, оксида алюминия самофлюсующихся материалов, нихрома, углеродистых сталей на детали из металла и керамики. В качестве плазмообразующих газов применяют дешевые смеси метана с воздухом, что повышает эффективную мощность установки и снижает стоимость процесса. Установка УПН-7 предназначена для напыления однодвухкомпонентных покрытий из порошковых материалов. Расход плазмообразующего газа (азот) — 5,0 м3/ч, масса 870 кг.

Для электродугового напыления выпускаются установки КДМ-1 и КДМ-2. Они состоят из сварочного выпрямителя и ручного металлизатора ЭМ-14М. Промышленностью также выпускаются станочные металлизаторы ЭМ-12−67 и ЭМ-15.

Для детонационного напыления начат выпуск автоматических установок: УДН-2, УДГ-Н2−30, УДГ-Д2−4, «Гамма». Они обеспечивают частоту выстрелов (1−5) сек1. Толщина покрытия, наносимого за 1 выстрел, составляет 8−20 мкм при площади покрытия 4−6 см2. В целом производительность детонационного напыления остается несколько ниже плазменного (до 100 см2/мин).

В комплект оборудования для восстановления коленчатых валов газопламенным напылением входит: установка для напыления УПТР-1−78М; модернизированная горелка для напыления (ГН-2); установка для струйной обработки вала; круглошлифовальный станок (ЗА423); тележка грузоподъемностью 500 кг; щуп газовый для контроля давления газа и воздуха; редукторы: ацетиленовый (ДАП-2), кислородный (ДКП-1−65); шланги: кислородный (типа III ВН 0 12), ацетиленовые (типа I BH 0 12); баллоны: кислородный и ацетиленовый; ацетиленовый генератор низкого и среднего давления (при отсутствии ацетилена в баллонах); печь тигельная для сушки порошка (температура до 500°С); термометр (ТХ-1479 или TI1); стеллаж (ОРГ-1468−05−230); контрольный стол модели 300 380; стол слесарный модели 2299; набор сит с ячейками; подставка под баллоны; технический ацетилен (газобаллонный) в баллонах; технический кислород (газобаллонный); композиционные самофлюсующиеся порошки ПТ-12Н-01 ГОСТ 27 358–80 и ПГ-СР2 ГОСТ 21 448–78; фильтр — масловлагоотделитель (5.1278−72 ДВ 41−16); синтетические моющие средства, уайт-спирит ГОСТ 3134–78 (для обезжиривания деталей); солидол-С ГОСТ 76 375–78.

Установка УПТР-1−78М предназначена для нанесения порошков, преимущественно самофлюсующихся твердых сплавов «никель — хром — бор — кремний», обеспечивающих после оплавления беспористые, прочно связанные с основным металлом, обладающие высокой износостойкостью, стойкостью против коррозии, эрозии, кавитации, тепловых воздействий. Покрытия наносятся на стальные, чугунные, алюминиевые, бронзовые и другие материалы.

Модернизированная горелка ГП-2 (комбинированная инжекция) предназначена для смешивания газа с кислородом и напыляемым порошком и получения газового пламени. Мощность, состав и форма сварочного пламени зависят от мундштуков наконечников горелок. Порошок под влиянием всасывающего воздействия газа и кислорода, протекающего по каналу, попадает в сопло, а затем — в ядро пламени.

Рисунок 1.5 — Модернизированная горелка ГН-2: 1 — мундштук; 2 — бункер; 3 — рычаг; 4,5 — инжектор; 6 — вентиль; 7 — штуцер

2. Технологическая часть

2.1 Технические условия на основной металл

Коленчатый вал изготавливают из высокоуглеродистой стали 45Г2

Заменитель — стали: 40Х, 50, 50Г2

Вид поставки — сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 1050–74, ГОСТ 2590–71, ГОСТ 2591–71, ГОСТ 2879–69, ГОСТ 8509–86, ГОСТ 8510–86, ГОСТ 8239–72, ГОСТ 8240–72, ГОСТ 10 702–78

Калиброванный пруток ГОСТ 1050–74, ГОСТ 7417–75, ГОСТ 8559–75, ГОСТ 8560–78, ГОСТ 10 702–78.

Шлифовальный пруток и серебрянка ГОСТ 14 955–77, ГОСТ 10 702–78.

Лист толстый ГОСТ 1577–81, ГОСТ 19 903–74.

Полоса ГОСТ 1577–81, ГОСТ 103–76, ГОСТ 82–70.

Проволока ГОСТ 17 305–71, ГОСТ 5663–79.

Поковки и кованные заготовки ГОСТ 8479–70, ГОСТ 1133–71.

Трубы ГОСТ 8732–78, ГОСТ 8733–87, ГОСТ 8734–75, ГОСТ 8731–87, ГОСТ 21 729–78. Назначение — вал — шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки и другие нормализованные, улучшаемые и подвергаемые поверхностной термообработке детали, от которых требуется повышенная прочность.

Таблица 2.1 — Температура критических точек, єС

Таблица 2.2- Химический состав стали 45Г2, %

Таблица 2.3 — Механические свойства проката

2.2 Технические условия на вспомогательный материал

При напылении изношенных мест деталей машин широко используется. стальная проволока. Коррозионно-стойкая сталь применяется для нанесения защитных покрытий.

Помимо проволоки для распыления используются прутки. Они изготавливаются, как правило, из материалов, которые затруднительно или невозможно выполнить в виде проволоки. Нашли применение прутки из порошков оксидов металлов (оксид алюминия, диоксид циркония, оксид хрома).

Материалы, используемые для порошкового напыления, обычно трудно деформируемые и поэтому в виде проволок не выпускаются. Но, с другой стороны, любой пластичный материал может быть изготовлен в виде порошка. В этом отношении порошковое напыление — процесс более универсальный.

Проволоку перед распылением зачищают до металлического блеска с целью удаления с поверхности загрязнений, ржавчины и окалины.

Для подбора порошков с определенной дисперсностью гранул их просеивают через сито с размерами ячеек соответствующих размерам требуемых гранул. Порошку перед применением просушивают на противнях при температуре 150−200 єС продолжительностью 2−3 часа. Во время просушивания рекомендуется производить перемешивание.

Проволока Нп-45 применяется для материала с твердостью НВ 170−230

Наплавка деталей общего назначения, учитывающих контактное изнашивание с абразивным воздействием и без него. Выбор напыляемого материала необходимо производить, исходя из условия близости химического состава основного металла и напыленного слоя.

Для нанесения подслоя используется самофлюсующийся порошок ПГ-12Н-01 ГОСТ 27 538–90 (таблица 2.4).

Таблица 2.4 — Характеристика порошка для подслоя

Для нанесения основного слоя используется самофлюсующийся порошок ПГ-СР2 ГОСТ 21 448–78 (таблица 2.5).

Таблица 2.5 — Химический состав и характеристика порошка для рабочего слоя

Система легирования Ni-B-Si обеспечивает низкую температуру плавления сплавов в пределах от 1030 до 1150 °C, что позволяет производить их оплавление. Оплавленное покрытие имеет большую прочность сцепления с поверхностью детали и меньший коэффициент трения. Самофлюсующийся эффект обеспечивается за счет Si и В. При нагреве они окисляются и образуют очень тонкую пленку боросиликатов. Эта пленка покрывает вместе со сплавом поверхность основного металла и действует как восстановитель.

Так как порошки гигроскопичны (интенсивно поглощают влагу), их следует хранить в герметичной таре или металлические порошки перед напылением прокаливать при температура 150… 200 °C в течение 2… 3 ч, а керамические — при температура 600… 800 °C. Во время просушивания рекомендуется производить перемешивание.

Основными характеристиками, определяющими качество порошка для напыления, являются текучесть, минимальный и максимальный размер частиц, их форма и склонность к адгезии (слипанию и комкованию), стабильность гранулометрического и химического состава.

2.3 Схема технологического процесса

Восстановление коленчатых валов способом газопламенного напыления требует тщательного соблюдения технологического цикла и параметров напыления, подготовки детали, оборудования и материалов. Несоблюдение последовательности и (или) их некачественное выполнение ведет к образованию дефектного напыленного слоя и последующего его растрескивания и отслоения.

Технологический процесс восстановления коленчатого вала пускового двигателя П23У газопламенным напылением включает операции:

Мойка.

Дефектация.

Обезжиривание шеек.

Изоляция поверхностей, неподлежащих восстановлению.

Подготовка оборудования.

Подготовка материала.

Напыление подслоя.

Контроль качества напыленного подслоя.

Напыление основного (рабочего) слоя.

Оплавление напыленных слоев.

Контроль качества напыленного слоя.

Шлифование до номинального размера.

Контроль качества механической обработки.

Консервация коленчатого вала.

Допустимые дефекты: изгиб вала не более 0,03 мм, удлинение первой коренной шейки не более 0,33 мм, удлинение длины шатунных шеек не более 0,28 мм, износ шатунных шеек не менее, износ коренных шеек не менее. При наличии обломов и трещин вал браковать.

Предварительная мойка коленчатого вала, которая производится в ванне с вибратором в растворе каустической соды в течение 15… 20 мин, необходима для проведения качественной дефектации. Деталь необходимо очистить от продуктов износа, масла и грязи. Кроме этого раствор дает повышенный коэффициент светоотражения, что позволяет выявить мельчайшие повреждения вала, такие как трещины, сколы, вмятины, срыв резьбы, наклепы.

Основной задачей дефектации, которая проводится с помощью штангенциркуля ШЦ-П-160−0,05 ГОСТ 162–90, микрометра МР-100 ГОСТ 183–90 и лупы, является выявление коленчатых валов, не пригодных к восстановлению и определения величины износа шеек. Вал, не пригодный к восстановлению, приведен на ремонтном чертеже.

Помимо поверхности, специальную обработку перед напылением проходят и распыляемые материалы. Проволока перед распылением зачищается до металлического блеска с целью удаления с поверхности загрязнений, ржавчины и окалины. Обычно для напыления используются порошки с грануляцией, не превышающей 200 мкм. Для подбора порошков с определенной дисперсностью гранул их просеивают через сито с размерами ячеек, соответствующими размерам требуемых гранул. Размер частиц сказывается на качестве напыляемых покрытий. Мелкодисперсный порошок способствует повышению плотности покрытия. При напылении порошка, состоящего из части разного размера, однородность покрытия нарушается из-за большого различия между крупными и мелкими частицами по степени расплавления и скорости движения. Различие в крупности частиц не должно превышать 50 мкм. Рекомендуемый размер частиц 44−74 мкм. Предпочтительно применение порошков сферической формы, поскольку они обладают наиболее высокой сыпучестью. Порошки перед напылением просушивают на противнях при температуре 150−200 С (металлические) и 600−700 С (керамические) продолжительность сушки 2−3 ч (металлические) и 3−5 часов (керамические). Во время просушивания рекомендуется производить перемешивание.

Для лучшего сцепления напыляемого порошка с основным металлом необходимо на расстоянии 15.20 мм обезжирить с помощью кисти органическими растворителями (уайт-спирит ГОСТ 3134–78, бензин) или моющими средствами и протереть чистой хлопчатобумажной материей. При обезжиривании поверхностей особое внимание следует обращать на удаление масла и других загрязнений из отверстий, канавок и т. д. Для этого коленчатый вал дополнительно надо обезжирить в расплаве солей.

Изоляция поверхностей, неподлежащих восстановлению проводится смесью цапонлак с нитроэмалью в соотношении 1:2 с целью защиты щек от напыляемых порошков. Цапонлак на щеки коленчатого вала наносится кистью на один слой.

Подготовка оборудования включает в себя настройку требуемых режимов, очистку, проверку шлангов, заправку баллонов ацетиленом и кислородом, заправку бункера горелки напыляемым порошком.

Подготовка материала включает в себя просушку в течение 1,5. .2 ч и прокаливания порошка, чтобы избежать возникновения пор и низкую сцепляемость покрытия с основным металлом, а также просеивание его через сито с размерами ячеек 50… 150 мкм с целью получения определенной дисперсности. Вал перед напылением нагревают до температуры 50…150°С.

Напыление подслоя порошком ПТ-12Н-01 ГОСТ 27 358–80 следует производить в течение 10. 15 мин после подготовки коленчатого вала, так как на поверхности могут образоваться новые окислы, которые будут снижать сцепляемость. Подслой дает основу, необходимую для наложения основных слоев и обеспечивает лучшую сцепляемость напыленного слоя с основным металлом. Подслой наносится на шейки по порядку их следования толщиной 0,3 мм.

Контроль качества после напыления подслоя необходим для того, чтобы определить качество слоя. Если напыленный слой имеет вздутия и шелушения, то коленчатый вал отправляют на повторную подготовку и напыление.

Напыление основного (рабочего) слоя порошком ПГ-СР2 ГОСТ 21 448–78 позволяет получить покрытия с необходимыми физико-механическими свойствами и требуемой толщины, которое проводится в несколько циклов, в зависимости от степени износа шеек вала. Время напыления каждой шейки не более двух минут. Это обусловлено тем, что шейки коленчатого вала не должны нагреваться более 100 °C, так как это может вызвать коробление и изменение длины вала. Основной слой наполняют через одну шейку, начиная с первой шатунной шейки. После каждого цикла напыления необходимо проводить контрольные замеры шеек. На шлифование дается припуск 0,5 мм на сторону свыше номинального диаметра шейки вала. Завышенное значение припуска нежелательно, так как увеличение напыленного слоя обратно пропорционально качеству сцепления напыленного слоя с основным материалом коленчатого вала. После напыления основного слоя проводят его оплавление.

Для улучшения свойств покрытия и обеспечения требуемой работоспособности необходимо провести оплавление покрытия, при котором появляется жидкая фаза, которая способствует интенсивному протеканию диффузии между покрытием и основным металлом. В результате повышается прочность, повышается ударная вязкость и износостойкость.

Оплавление следует проводить сразу же за напылением и выполняется ацетилено-кислородным пламенем. Для этого деталь подогревается до температуры 250−300°С. Участок, покрытый порошком, нагревают до полного расплавления всех зерен металла в напыленном слое (состояние «запотевания»), в результате получают блестящую поверхность. На предварительно оплавленный слой наносится новый слой и доводится до оплавления. Во избежание перегрева, а следовательно, возможного образования окислов, усадки и отслоения напыленного покрытия необходимо соблюдать следующие требования: сначала напыленный слой оплавляют в середине, затем аппарат перемещают поочередно к концам напыленного слоя и оплавляют порошок при этом температура не должна превышать 1100 °C. Деталь охлаждают в соответственно нагретых печах. Оплавление повышает прочность сцепления покрытия с основным металлом до 450 — 500 МПа, что позволяет напылять слои толщиной до 3 мм.

Контроль качества покрытия проводится после последнего цикла напыления. Напыленный слой должен иметь металлический цвет матового оттенка, без желтения. Желтый, или даже коричневый цвет покрытиясвидетельство перегрева и плохого качества покрытия. Покрытие не должно иметь вспучиваний и шелушения. Если вал прошел визуальный контроль, то покрытие простукивают. Это можно делать не большим бронзовым молоточком без острых углов. Если обнаруживаются пустоты между покрытием и шейкой коленчатого вала, то вал отправляют на шлифование и вторичное напыление.

Шлифование коренных шеек до номинального размера применяют круглошлифовальный станок ЗА423. Шейки вала шлифуют электрокорундовым на керамической связке или из карбида кремния шлифовальными кругами зернистостью 25…60 мкм. Базовыми поверхностями при шлифовании коренных шеек являются центровые отверстия. Обрабатываемая шейка поддерживается люнетом. Шлифование производится методом врезания. Перед операцией шлифования боковые поверхности абразивного круга правится до требуемой ширины. При этом делается закругление кромок в соответствии с требованиями чертежа к радиусу галтели. Правка круга осуществляется с помощью алмазного карандаша, закрепленного в оправке, при обильном охлаждении эмульсией. Шлифовальные круги рекомендуется править после шлифования одного-двух коленчатых валов. При обработке шлифованием обязательно применение охлаждающей жидкости в целях предотвращения появления микротрещин, в качестве которой используют 2…3%-й раствор кальцинированной соды или эмульсию (10 г эмульсионного масла на 1 л воды). Шлифование производится последовательной обработкой всех коренных шеек вала. После ремонта они должны иметь один и тот же размер.

Шлифование шатунных шеек производится также на круглошлифовальном станке. В качестве дополнительного оснащения используется специальный центросместитель с делительным устройством. Центросместитель состоит из стандартного патрона Н 190, комплекта грузов и планшайб. Крайние коренные шейки коленчатого вала закрепляют в патрон центросместителя, предварительно установленного на требуемый радиус кривошипа, что обеспечивает погрешность базирования не более 0,3 мм. Затем шатунные шейки выставляются только в горизонтальной плоскости. После обработки первой шейки вал поворачивается для обработки следующей шейки, сохраняя постоянный радиус кривошипа. Необходимый угол между кривошипами обеспечивается делительным устройством. Применение центросместителей без делительного устройства приводит к нарушению углов между кривошипами и, как следствие, низкому качеству ремонта. Все шатунные шейки должны иметь одинаковый ремонтный размер. Режимы обработки шатунных шеек такие же, как и коренных.

При контроле качества механической обработки коленчатый вал подвергается контролю по внешнему виду, толщине, геометрическим размерам. Контроль по внешнему виду производится с целью выявления внешних дефектов — сколов, вздутий, шелушения и других дефектов. Осмотр осуществляется с помощью лупы. Геометрические размеры шеек определяют с помощью штангенциркуля ШЦ-П-160−0,05 ГОСТ 162–90 и микрометра МР-100 ГОСТ 183–90.

Далее коленчатый вал смазывают смазкой «Солидол-С» ГОСТ 76 375–78, упаковывают и укладывают на стеллаж готовой продукции, с которого далее валы на цеховой тележке перевозятся на склад.

После восстановления диаметр коренных шеек должен быть мм, шатунных шеек мм. Радиус галтелей шатунных шеек 1,5 мм. Радиус галтелей коренных шеек 1,0 мм. Нецилиндричность коренных и шатунных шеек должна быть не более 0,005 мм. Дисбаланс вала должен быть не более 0,3 Н-см. Диаметр и нецилиндричность коренных и шатунных шеек измеряют штангенциркулем ШЦ-П-160−0,05 ГОСТ 162–90 и микрометром МР-100 ГОСТ 183–90. Радиусы галтелей проверяют калибрами. Дисбаланс вала проверяют с помощью индикатора.

2.4 Параметры режима напыления

Для каждого способа напыления в зависимости от применяемого оборудования и материалов существует оптимально диапазон режимов напыления. В практике напыления при установлении оптимальных режимов следует руководствоваться следующими соображениями:

— Перед напылением деталь следует разогреть до температуры 50−150°С. Отсутствие подогрева может быть причиной отслаивания и растрескивания покрытия. Не следует допускать нагрева напыляемой поверхности свыше 250 °C из-за быстрого образования на ее поверхности окисной пленки, что может вызвать снижение прочности сцепления покрытия. Допускается охлаждение напыляемой детали сжатым воздухом.

— Дистанция напыления обычно не выходит 75−250 мм. При малой дистанции создается опасность перегрева и деформации детали под влиянием термических напряжений. При большом расстоянии снижаются температура и скорость напыляемых частиц, что приводит к образованию рыхлого покрытия и уменьшению прочности сцепления с основой.

— Рекомендуется плазмотрон располагать перпендикулярно напыляемой поверхности. При этом обеспечивается наибольшая деформация напыляемых частиц при соударении с основой. Когда невозможно обеспечить указанное расположение плазмотрона, допускается отклонение на угол не более 45 градусов.

— Скорость подачи напыляемого материала оказывает существенное влияние на интенсивность нагрева и окисления напыляемых частиц, что сказывается на прочности сцепления покрытия. Важно, чтобы напыление происходило при оптимально выбранной и поддерживаемой на заданном уровне скорости подачи напыляемого материала. Для получения удовлетворительного сцепления частиц порошка с основой необходимо, чтобы их значительная часть транспортировалась в расплавленном или оплавленном состоянии.

— Покрытие рекомендуется наносить толщиной не более 0,25 мм за один проход. Покрытие большей толщины следует напылять за несколько проходов. Однако толстостенные покрытия, вследствие образования в них термических напряжений, склонны к отслаиванию.