Повышение эффективности технологии ремонта деталей машин

Развитие современного машиностроения неразрывно связано с повышением надежности и долговечности деталей машин и механизмов.

Известны два направления восстановления работоспособности и обеспечения защиты поверхностей деталей от износа. Первое связано с повторным использованием деталей, отработавших свой ресурс, а второе направление заключается в создании ресурсосберегающей технологии предупреждения и защиты рабочих поверхностей деталей от износа. Оба направления требуют разработки и широкого использования новых прогрессивных технологий.

Длительное время восстановление изношенных поверхностей деталей осуществляется наплавкой, напылениями и другими, с последующей обработкой резанием, способами. Недостаток научно-обоснованных рекомендаций для повышения эффективности процессов ремонта и эксплуатации деталей машин, отсутствие эффективных методик производительной и качественной обработки восстановительных и износостойких покрытий, подчеркивает ряд технических проблем, которые находятся либо на стадии решения, либо относятся к перспективе ближайших исследований. Например, для заводских технологов очень привлекательна возможность замены процессов шлифования покрытий на процессы лезвийной обработки, имеющих более низкие энергозатраты. До недавнего времени решение этой задачи было трудно осуществимо на практике из-за низкой стойкости традиционных инструментальных материалов. Препятствиями являются низкая обрабатываемость резанием покрытий высокой твердости (до НЯСэ65), большая истирающая способность твердых включений, а также пористость материала покрытий, вызывающая снижение теплопроводности при образовании более высокой температуры, чем при резании монолитных материалов идентичного состава. И только появление, и широкое использование в металлообработке лезвийных инструментов из композитов во многих случаях, в том числе и при обработке наплавок, способно обеспечить выполнение требований по качеству и точности обработки, предъявляемым к рабочим поверхностям деталей. Однако проблема высокой хрупкости этих прогрессивных инструментальных материалов до сих пор остается сдерживающим фактором их широкому внедрению.

Применение ресурсосберегающих технологий является менее изученным способом повышения эффективности эксплуатации машин за счет предупреждения износа рабочих поверхностей деталей. Технологии защиты не требуют вмешательства механической обработки как на этапе эксплуатации машины, так и при восстановлении работоспособности изношенных деталей.

Учитывая потребности машиностроения в надежных и долговечных деталях, можно утверждать, что исследование процессов восстановления изношенных деталей наплавками с последующей обработкой лезвийными инструментами из композитов, а также поиск и изучение ресурсосберегающих технологий предупреждения износа рабочих поверхностей деталей, представляет существенный научный и практический интерес.

Таким образом, совершенствование теории и практики восстановления работоспособности и повышения эффективности эксплуатации деталей машин покрытиями й ресурсосберегающими технологиями, а также создание на этой базе методов прогнозирования и технологического обеспечения заданных качественных показателей является актуальной научной задачей.

Научная новизна работы заключается в получении расчетных зависимостей толщины наплавки и минимально допустимого припуска на последующую механическую обработку от условий наплавкиразработке методики определения режимов нанесения наплавленного слоя для обеспечения заданной толщины наплавки при минимальном припускеполучении аналитических зависимостей стойкости инструмента из композита и шероховатости обработанной поверхности наплавки от режимов резаниясоздании методики определения режимов резания наплавленных поверхностей, обеспечивающих заданную шероховатость при оптимальной стойкости и наибольшей производительностиразработке методики создания защитного слоя для поверхностей деталей, работающих в условиях высоких знакопеременных нагрузок.

Автор защищает: 1. Аналитические зависимости для расчета толщины наплавки и минимально допустимого припуска на обработку.

2. Расчетные зависимости стойкости инструмента из композита и шероховатости обработанной поверхности наплавки от режимов резания.

3.Режимы резания наплавленных поверхностей инструментом из композита, обеспечивающие заданную шероховатость при требуемой стойкости и наибольшей производительности.

4. Методику создания защитного слоя для поверхностей деталей, работающих в условиях высоких знакопеременных нагрузок.

5.Результаты исследования качественных показателей поверхностей и эксплуатационных характеристик деталей и машин при использовании технологии РВС.

Автором разработаны и доведены до практического применения рекомендации по проектированию технологических процессов восстановления изношенных рабочих поверхностей деталей.

Практическая ценность диссертационной работы подтверждена результатами внедрения, высокой технологической и экономической эффективностью ее содержания, выводов и рекомендаций.

Суммарный экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на машиностроительных предприятиях Забайкалья составил свыше 100,0 тыс. руб (в ценах 2004;2005г.г.).

Диссертационная работа выполнена в рамках региональной программы восстановления промышленного потенциала Забайкалья. Она является составной частью научного направления «Комплексное обеспечение качества продукции машиностроительного назначения Забайкалья».

Результаты, представленные в диссертации, фрагментарно докладывались на интервале 2001;2006г.г. на международных, республиканских и внут-ривузовских конференциях:

1)Человек и окружающая среда — проблемы взаимодействия // Международная научно-практическая конференция, Пенза, Академия ВХ наук РФ, 2001.;

2)Технические науки, технологии и экономика // Международная научно-практическая конференция, Чита, ЧитГТУ, 2001.;

3)ХХ1Х научно-техническая конференция Читинского государственного технического университета, Чита, ЧитГТУ, 2002.;

4)Кулагинские чтения // 4-я межрегиональная научно-практическая конференция, Чита, Чит ГУ, 2004.;

5) Механики — XXI веку // 4-я межрегиональная с международным участием научно-техническая конференция, Братск, Бр ГУ, 2005.;

6) Кудряшов Е. А., Четвериков С. В., Владимирский Ю. И. Ремонт трущихся деталей машин // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: Материалы 8-й Международной практической конференции-выставки: В 2 ч. часть 2. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2006.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю доктору технических наук, профессору Кудряшову Евгению Алексеевичу за ценные указания, помощь и внимание, полученные в период работы и подготовки диссертации к защите.

1 .ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕТОДЫ ИХ.

ИССЛЕДОВАНИЯ (Литературный обзор и постановка задачи научного исследования) 1.1.0бщие сведения о дефектах рабочих поверхностей деталей машин.

Вопросам изучения причин нарушения работоспособности, повышения долговечности, эффективности ремонта и эксплуатации современных машин постоянно уделяется большое значение учеными и специалистами. Решение задачи повышения долговечности машины равноценно увеличению их выпуска на тех же производственных площадях [118].

Большой вклад в развитие науки о ремонте деталей машин внесли отечественные ученые и практики: Авдеев М. В., Бабусенко С. И., Воловик Е. Л., Казарцев В. И., Канарчук В. Е., Карпов Л. И., Кряжков В. М., Курчаткин В. В., Малышко A.A., Масино М. Д., Молодык Н. В., Муравьев Т. О., Оробинский В. М., Петров Ю. Н., Полянчиков Ю. Н., Решетов .Д.Н., Таратута А. И., Тельнов Н. Ф., Ульман И. Е., Черепанов С. С., Черноиванов В. И., Шадричев В. А. и др. [1, 7, 2931, 55, 62, 70, 72,75−77, 82, 83, 91−93, 116,120,129,131,132].

Повторное использование деталей, отработавших свой ресурс, имеет важное народнохозяйственное значение. Учитывая реальное положение дел в отечественном машиностроении, следует признать, что прирост потребности в запасных частях машинного парка должен быть удовлетворен за счет повторного использования изношенных в эксплуатации деталей.

Проблема защиты от износа и восстановление номинального ресурса изношенных в эксплуатации деталей давно признана «академической», и решение ее осуществляется в направлении совершенствования и модернизации хорошо известных способов и методов, а также созданием принципиально новых технологий [2, 3].

В настоящее время разработаны и проверены на практике теоретические положения обновляющих технологических процессов, гарантирующих номинальный ресурс восстановленных деталей. Используя известные знания, в основу исследований диссертационной работы нами положены следующие положения.

1.Задачи повышения эффективности эксплуатации и ремонта деталей машин нельзя сводить только к износу их рабочих поверхностей. Существенную роль следует отдавать технологиям защиты от износа, в том числе и новых деталей машин.

2.Используя новые знания и технологии, за счет специальных покрытий, созданием оптимальной структуры, физико-механических свойств и микропрофиля поверхностного слоя, приблизить и даже превзойти ресурс отремонтированных деталей по отношению к номинальному.

3.Рассматриваем новую деталь, рабочие поверхности которой предназначены для нанесения защитного износостойкого покрытия, и изношенную деталь — как заготовку, максимально приближенную по форме к готовому изделию, при условии возможных несущественных отклонений от базового (рабочего) чертежа детали, обусловленных спецификой обновления.

Основные понятия.

В процессе эксплуатации возможны различные нарушения нормальной работоспособности деталей машин. В табл. 1.1 приведены наиболее характерные виды разрушения материалов деталей машин автотранспортного и общемашиностроительного назначения.

Таблица 1.1.

Классификация основных видов разрушения материалов деталей.

Виды разрушения материала Типовые детали Характер повреждения Причины нарушения работоспособности.

Механические повреждения вследствие излома и усталостного выкрашивания Валы, оси, шатуны Трещины, задиры, риски, выкрашивания и вмятины Длительное действие знакопеременных нагрузок, циклические температурные напряжения, перегрузки.

Окончание табл. 1.1.

Виды разрушения материала Типовые детали Характер повреждения Причины нарушения работоспособности.

Механический износ вследствие истирания металлических пар Валы, оси, втулки, шатуны, корпусные детали Постепенное изменение геометрических размеров деталей Длительное трение сопряженных поверхностей.

Химико-тепловые повреждения Оси и штоки насосов, посадочные поверхности деталей, находящиеся в подвижном контакте Коррозионные повреждения, пятна и раковины Переменные напряжения, высокая температура в зоне контакта.

Виды повреждения и разрушения материалов деталей машин носят многофакторный характер. В дальнейшем, в соответствии с требованиями нормативной документации, под термином изнашивание понимаем процесс отделения металла в процессе «эксплуатации с поверхности твердого тела (детали), проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы, тела (детали).

Износ — результат изнашивания, в установленных единицах.

Повреждение — любое нарушение поверхности детали вне контакта с сопрягаемой деталью. •.

Дефект — каждое отдельное несоответствие детали установленным техническим требованиям рабочего чертежа.

Дефектная деталь — деталь, показатели качества которой имеют недопустимые отклонения от требований рабочего чертежа, устранение которых возможно и экономически целесообразно.

Известно, что дефекты детали, как правило, встречаются в различных сочетаниях, что существенно усложняет их устранение. Техническое решение по устранению каждого дефекта в отдельности неразрывно связано с типизацией процессов и требует определенных технологических приемов.

Классификация дефектов по причинам возникновения, по месту расположения, по возможности исправления представлена на рис. 1.1. — 1.2.

Рис. 1.1. Доля дефектов по причинам возникновения:

1 — дефекты несоответствия размеров, 75,0%;

2 — дефекты формы, 19,5%;

3 — дефекты нарушения целостности, 3,5%;

4 — дефекты физико-механических свойств, 2,0%.

Рис. 1.2. Классификация дефектов.

Учитывая большое разнообразие деталей, каждому классу (объединение деталей по конструктивным особенностям и условиям эксплуатации) свойственны наиболее характерные дефекты. В соответствии с принятой классификацией все возможные дефекты деталей машин по видам изнашивающихся поверхностей могут быть разделены на любое количество групп. Например, И. В. Молодык выделяет семь классов [75], а в системе классификации деталей, предложенной Е. Л. Воловиком, количество классов девять [17]. Существенным недостатком классификаторов является отсутствие в них необходимой технологической информации.

На кафедре технологии машиностроения ЧитГУ разработана классификация деталей с поверхностями, подлежащими восстановлению [124]. Автором в нее введены дополнительные сведения о конструктивных и технологических особенностях защищаемых от износа и восстанавливаемых поверхностях деталей: основной и присадочный материал, качество и точность, термическая обработка и др., табл. 1.2, рис. 1.3. •.

В этой схеме цифры 1, 2.11, 12 обозначают номера позиций технологического классификатора. -,.

Кодирование детали (поз.1) выполняется строчной буквой русского алфавита в соответствии с перечнем деталей табл. 1.2, приложение 2.

1 X.

2 х.

XXX.

6 X.

X X 9 X.

10 X И X.

12 х.

Код детали.

Код поверхности.

Размерная характеристика.

Состояние изношенной поверхности.

Квалитет.

Параметр шероховатости или отклоненияформы и расположения поверхностей.

Материал детали.

Наплавочный материал, твердость поверхности.

Масса детали.

Рис. 1.3. Схема технологического классификатора.

Таблица 1.2.

Технологический классификатор деталей с поверхностями, подлежащими защите и восстановлению.

Обрабатыв, а е м ы е п о в е р х н о с т и.

Вид технологической 53 шлицевая лыска (6- операции цилиндрическая & к о и § ж § к о и? и ¦ео (5-площадь поверхности шлицев) площадь поверхности лыски) пазы отверстия на обрабатываемой поверхности детали фасонные группа точение гладкая гладкая гладкая 5 <20% ! о* •чо С!< II ео 5 >40% 5 <20%: 8 = (20.40)% с центральным пазом различной ширины с двумя и более симметричными пазами равной ширины с двумя и более симметричными пазами разной ширины с двумя и более асимметричными пазами равной ширины с двумя и более асимметричными пазами разной ширины | одно, глухое одно, сквозное два и более глухих симметричных отверстия одного 0 два и более глухих симметричных отверстия разного 0 два и более глухих асимметричных отверстия одного 0 два и более глухих асимметричных отверстия разного 0 • два и более сквозных симметричных отверстия одного 0 два и более сквозных симметричных отверстия разного 0 два и более сквозных асимметричных отверстия одного 0 два и более сквозных асимметричных отверстия разного 0 фасонные резервная к 0 д ы п о в е р х нос т е й дет, а л е й.

10 20 30 4] 42 43 51 52 61 62 63 64 65 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 90 оси, г и валы, А да да да да да да да да да да да да да да да да да да да да да да да да.

О. вал «г .

13 ч. и н 13 о о коленчатый ч Б да — да — V да V.

5 барабан 3 В да да да.

5 5 В втулки Г да да да да да да ' да да да ¦ да да да да • да да да да да да да да да шкивы Д да да да да да да да да да да ч балансир Е да.

Кодирование восстанавливаемой или защищаемой поверхности детали (поз.2) выполняется двузначным кодом от 10 до 90, в соответствии с конструктивными особенностями, табл. 1.2.

Кодирование детали по размерной характеристике выполняется тремя знаками (поз.3,4,5) по данным прил.2.1.

У деталей класса «Тела вращения» первым знаком (поз.З) кодируется наибольший наружный диаметрвторым знаком (поз.4) кодируется длина детали (может быть высота) — третьим знаком (поз.5) кодируется диаметр центрального отверстия.

При кодировании центрального отверстия учитывается диаметр только круглых поверхностей, независимо от наличия в них шпоночных пазов или шлицев.

В ступенчатом центральном отверстии кодируется диаметр ступени с наивысшим квалитетом точности, а при равной точности двух или более ступеней — отверстие большего диаметра.

В конусном отверстии кодируется размер меньшего диаметра конуса.

Кодирование детали по состоянию изношенной поверхности выполняется одним знаком (поз.6) — прил.2.2.

Кодирование, по квалитету точности размеров детали, выполняется двузначным кодом (поз.7,8). Позиция 7 обозначает наивысший квалитет точности внутренних поверхностей, прил.2.3.

Параметр шероховатости или отклонения формы и расположения поверхностей кодируется одним знаком (поз.9), по наименьшей шероховатости и, с учетом наличия требования отклонения формы и расположения поверхностей (прил.2.4. и 2.5.).

Материал детали кодируется одним знаком (поз. 10) цо данным прил.2.6.

Наплавочный материал, твердость обрабатываемой поверхности кодируется одним знаком (поз. 11), прил.2.7.

Масса детали кодируется одним знаком (поз.12) по данным прил.2.8.

Пример кодирования детали приведен в табл. 1.3.

Таблица 1.3.

Типовые детали (поверхности, подлежащие восстановлению) п/п.

Технологический код детали, дефектной поверхности.

Характер работы детали.

Дефектная поверхность.

Вид дефекта.

Максимальная величина дефекта коленчатый вал Б. 10.9.9.4.О.4.Б. Д. 8.4.9 периодические нагрузки, трение шеек о вкладыши подшипников.

О©износ, отклонения от цилинд-ричности, круглости до 2,0 мм.

Редко, когда у детали встречаются более шести разновидностей дефектов. Обычно это сочетания из двух, трех и четырех дефектов. Профессор Л. В. Дехтеринский установил, что вероятность появления п<�дефектов из т возможных можно определить, используя биноминальное распределение.

Р (п) = Сп.Рт.ёт~п, (1.1) т ' т где Спт — число сочетаний п дефектов из т возможныхР — вероятность появления дефектаg — вероятность непоявления дефектовg=-P. Вероятность появления дефекта определяется [92].

Р= Е К./т-Ы, (1.2) = 1 1 где К. — число деталей с / - м дефектом, N — число деталей в выборке.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

В настоящей работе решена актуальная прикладная задача по технологическому обеспечению повышения эффективности технологии ремонта деталей машин с восстановлением качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств.

Полученные результаты комплексных исследований позволили сделать следующие основные выводы:

1 .Экспериментально изучена зависимость толщины наплавки и минимально допустимого припуска на последующую механическую обработку от условий наплавки. Разработана методика определения условий нанесения наплавленного слоя для обеспечения заданной толщины наплавки при минимальном припуске.

2.Получена теоретически и экспериментально проверена модель контакта режущей части инструмента с обрабатываемой поверхностью наплавки, позволяющая повысить износостойкость инструмента из композита.

3.Экспериментально исследовано изнашивание и стойкость инструмента из композита как совокупность процессов, проявляющихся в зависимости от состояния обрабатываемой поверхности (толщина покрытия, шаг наплавки, припуск и условия контакта).

4.Экспериментально исследовано влияние режимов резания и геометрии инструмента из композита на его стойкость и шероховатость обработанной поверхности наплавки. Доказана целесообразность замены операции шлифования операцией точения инструментом из композита при чистовой обработке наплавленных поверхностей.

5.Разработана методика определения режимов резания наплавленных поверхностей, обеспечивающих заданную шероховатость и требуемую стойкость при наибольшей производительности механической обработки восстановленных поверхностей.

6.Установлены рекомендуемые значения параметров геометрии режущей части инструмента из композита и режимов, при которых обеспечивается требуемое качество обработки: передний угол -{2.6)°- задний угол 8. 10°- угол наклона главной режущей кромки (1.2)0- главный угол в плане 35.40°- скорость резания 1.3 м/сподача 0,02.0,08 мм/об.

7.Исследован механизм образования металлокерамического защитного слоя, основанный на реакции замещения атомов магния в кристаллических решётках РВС на атомы железа верхних слоёв металла деталей с образованием новых кристаллов, имеющих более объёмную кристаллическую решётку и образующих слой, компенсирующий износ деталей.

8.Теоретически доказано, что при использовании ремонтно-восстановительных смесей в верхних слоях поверхностей сопрягаемых деталей происходят микрометаллургические процессы, в результате которых эти слои приобретают структуру, аналогичную структуре форстеритов (оливинов).

9.Установлено, что процесс образования металлокерамического защитного слоя состоит из операции размола частиц с интенсификацией процессов микросваривания и микросхватывания, очистки микрорельефа, плотной нагар-товки частиц ремонтно-восстановительного состава в углубления микрорельефа и операции формирования металлокерамического защитного слоя.

Ю.Экспериментально установлено, что в результате применения РВС-технологии улучшаются показатели качества трущихся поверхностей: микротвёрдость повышается в 2,3 раза, макротвердость — в 1,9 р’аза, антифрикционные свойства — в 1,5. 2 раза.

11.Доказана работоспособность РВС на примерах восстановления паспортных величин компрессии двигателей внутреннего сгорания, первоначального состояния подшипников качения и поршневого компрессора. Показано, что РВС-технология является эффективной ресурсосберегающей технологией восстановления изношенных поверхностей и предупреждения износа деталей.

12.Установлено, что применение РВС-технологии позволяет улучшить эксплутационные показатели деталей и узлов машин: межремонтный период поршневого компрессора увеличился в два раза, а его производительность — на 19%.

13.Разработана и предложена к применению методика обработки ре-монтно-восстановительным составом карбюраторных и инжекторных двигателей внутреннего сгорания, дизельных двигателей, а также топливной аппарату/ ры и редукторов.

14.Результаты диссертационной работы внедрены на ряде. предприятий Забайкалья с созданием специализированных участков восстановления работоспособности изношенных деталей машин. Получен существенный экономический эффект — более 100 тыс. руб (в ценах 2004;2005 г.).