Технология восстановления чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53А
Технология восстановления чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53А
Введение.
В современном машиностроении применяются различные конструкционные
материалы. Однако и до настоящего времени чугун является одним из основных
конструкционных материалов. Например, вес чугунных отливок составляет до
50% веса машин. Это обусловливается простотой и относительной дешевизной
изготовления чугунных деталей, хорошими литейными свойствами чугуна, его
высокой износостойкостью, малой чувствительностью к концентраторам
напряжений, способностью гасить вибрацию и т. д.
Одной из актуальных задач стоящих перед организациями,
эксплуатирующих автомобильную и автотракторную технику, является продление
срока службы отработавших деталей, в том числе и чугунных. Сварка и
наплавка чугуна широко применяется при ремонте вышедшего из строя
различного оборудования. Однако она связана со значительными трудностями.
Это связано с тем, что металл шва и околошовной зоны очень склонен к
образованию твердых непластичных структур (ледебурита, мартенсита) и трещин
вследствие больших скоростей охлаждения при сварке и наплавке, низкой
прочности чугуна и почти полного отсутствия пластичности. Это осложняет
решение многих вопросов, связанных с разработкой сварочных материалов
(электродов, проволоки, флюсов и др.) для сварки чугуна.
Горьковский автомобильный завод широко применяет в двигателях своих
автомобилей детали из чугуна. Одной из них является коленчатый вал.
Целью дипломного проекта является разработка технологического
процесса восстановления чугунных коленчатых валов двигателя ЗМЗ – 53А
позволяющего избежать выше перечисленных недостатков с возможностью
применения в небольших ремонтных подразделениях МПС РФ.
Большую работу по изучению процессов, протекающих при сварке и
наплавке чугуна, провели исследователи: Доценко Г. Н., Доценко Н. И.,
Луппиан Г. Э. и др. Работы этих исследователей использованы в дипломном
проекте.
1. Литературный обзор и обоснование темы
дипломного проекта.
1. Описание изделия и технические
условия на ремонт чугунного коленчатого вала.
Чугунные коленчатые валы в автомобильных двигателях стали применять с
1960 года [3]. Высокопрочные чугуны по ГОСТ 7293-85 делятся на два класса:
перлитные (ВЧ 45-0; ВЧ 50-1,5; ВЧ60-2) и ферритные (ВЧ 40-0; ВЧ 40-6).
Большое применение нашли чугуны перлитного класса благодаря высокой
прочности и износостойкости.
Чугунный коленчатый вал двигателя ЗМЗ-53А
Рис. 1.1
В табл. 1.1 приведены сведения о прочностных свойствах
высокопрочного, серого, модифицированного, ковкого чугунов и стали 45 [1].
[pic]
Из табл. 1.1. видно, что основные механические свойства перлитного
высокопрочного чугуна примерно такие же, как и у стали 45 и значительно
выше, чем у других чугунов. При этом себестоимость отливок из
высокопрочного чугуна в 2-2,5 раза ниже по сравнению с себестоимостью
отливок из ковкого чугуна и поковок стали 45 [3].
Усталостная прочность.
Применение высокопрочного чугуна взамен стали 45, для изготовления
коленчатых валов стало возможным благодаря его высокой усталостной
прочности. Соотношение по усталостной прочности для стальных и чугунных
образцов гладких и коленчатых валов одинаковой формы представлены в табл.
1.2 [2].
[pic]
По данным табл. 1.2. у образцов гладких валов, изготовленных из
высокопрочного чугуна, предел усталостной прочности на 18% меньше, чем у
образцов изготовленных из стали 45; у коленчатых валов, изготовленных из
тех же металлов, эта разница равна всего 4%. Объясняется это тем, что
усталостные трещины вызывающие разрушения чугунных коленчатых валов,
возникают в местах концентрации напряжений на галтелях, а высокопрочный
чугун сохраняет присущую всем чугунам малую чувствительность к концентрации
напряжений.
Износостойкость.
Высокую износостойкость высокопрочного чугуна с перлитной основой, не
уступающую закаленной стали 45, большинство исследователей [4] объясняют
наличием на его поверхности вскрытых графитовых включений, которые служат
смазкой, а освободившиеся полости являются накопителями дополнительной
смазки, необходимой при пуске и остановке двигателя.
При сравнении стальных и чугунных коленчатых валов в опубликованных
работах [5,7] указывается, что при твердости стальных шеек HRC 56 их
износостойкость равна износостойкости шеек чугунного коленчатого вала, при
твердости шеек менее HRC 56 – меньше и при твердости более HRC 56 – больше
износостойкости шеек чугунного коленчатого вала.
Технические условия на ремонт.
1. У коленчатых валов, поступающих на сборку, масляные каналы и
грязеуловители должны быть тщательно очищены от шлама.
2. Шатунные шейки должны иметь диаметр – 60,00-0,013 мм.
Коренные – 70,00-0,013 мм.
3. Овальность и конусность шеек коленчатого вала не должны превышать
0,01 мм.
4. Чистота поверхности шеек должна соответствовать 5 квалитету Ra 0,2-
0,4
5. Длина передней коренной шейки должна быть в пределах 30,45-30,90
мм.
Длина шатунной шейки 52,0-52,2 мм.
6. Радиусы галтелей шатунных шеек должны быть в пределах 1,2-2,0 мм,
коренных 1,2-2,5 мм.
7. При вращении вала, установленного в призмы на крайние коренные
шейки, биение не должно превышать:
а) для средней коренной шейки – 0,02 мм.
б) для шейки под распределительную шестерню – 0,03 мм.
в) для шейки под ступицу шкива вентилятора – 0,04 мм.
г) для шейки под задний сальник – 0,04 мм.
д) фланца по торцу – 0,04 мм.
8. Не параллельность осей шатунных и коренных шеек – не более 0,012
мм на длине каждой шейки.
2. Дефекты и неисправности чугунного коленчатого вала
Коленчатый вал является высоконагруженной деталью двигателя. В
процессе эксплуатации двигатель машины подвержен различным нагрузкам, в том
числе и неблагоприятным, это пуск двигателя в холодных условиях, не
качественное смазочное масло, работа в запыленных условиях и т. д.
Вследствие этих факторов трущиеся части коленчатого вала
подвергаются повышенному износу, что в свою очередь приводит к появлению на
этих поверхностях надиров, сколов, микротрещин, раковин показанных на Рис.
1.2., которые могут привести к поломке коленчатого вала и выходу из строя
всего двигателя.
Дефекты чугунного коленчатого вала
Рис. 1.2
3. Современные технологии восстановления
чугунных коленчатых валов.
В настоящее время чугунные коленчатые валы используются в двигателях
автомобилей горьковского автомобильного завода, марки автомобилей ГАЗ-53А,
ГАЗ-66, «Волга», «Газель». В некоторых автохозяйствах парк этих машин
составляет до 80% от всего количества машин. Перестройка народного
хозяйства и структурные изменения в нашей стране привели к разукрупнению
автохозяйств, появлению мелких парков машин со смешанной формой
собственности. Одной из задач, вставшей перед этими автохозяйствами,
становится поддержание машин в рабочем состоянии при ограниченных
финансовых ресурсах. По этому процесс восстановления изношенных деталей
является на сегодняшний день актуальной задачей.
Существует несколько технологий восстановления чугунных коленчатых
валов [3]:
1. Шлифовка под ремонтные размеры.
Один из часто применяемых способов восстановления работоспособности
коленчатых валов. Преимущества этого способа в его технологической
простоте. Из оборудования требуется наличие кругло шлифовального станка и
типовой оснастки к нему. Но у этого способа имеется и ряд недостатков.
Потеря взаимозаменяемости деталей, потребность в деталях (вкладыши) с
ремонтными размерами, наличие складских площадей под них.
2. Вибродуговая наплавка в жидкости.
При этом способе качество наплавленного металла зависит от многих
факторов и резко ухудшается при изменении режимов наплавки и химического
состава электродной проволоки. Поэтому даже при хорошо отлаженном процессе
восстановления на шейках чугунных коленчатых валов часто встречаются поры и
трещины. Количество пор увеличивается по глубине слоя, поэтому
восстановленные чугунные коленчатые валы шлифуют лишь до третьего
ремонтного размера, а затем выбраковывают. Усталостная прочность чугунных
коленчатых валов, восстановленных вибродуговой наплавкой в жидкости,
снижается на 35-40% [6]. Однако благодаря двукратному запасу прочности в
эксплуатации наблюдается незначительное количество их поломок. Но
применение этого способа наплавки для восстановления чугунных коленчатых
валов двигателей грузовых автомобилей из-за значительного снижения
усталостной прочности становиться не приемлемым.
3. Вибродуговая наплавка в водокислородной среде [9].
При этом способе восстановления наплавленный металл имеет структуру
троостита, переходящую в сорбитообразный перлит с твердостью слоя HRC 42-
48. Такой металл по износостойкости уступает высокопрочному чугуну, тем не
менее, коленчатые валы восстановленные этим способом, обеспечивают срок
службы двигателей соответствующий пробегу автомобиля 50-60 тыс. км.
Сведений об усталостной прочности чугунных коленчатых валов,
восстановленных наплавкой в водокислородной среде, не имеется. В целом
эксплуатационные свойства таких валов изучены не достаточно, но из-за
низкой в сравнении с высокопрочным чугуном износостойкости наплавленного
металла этот способ наплавки не может быть рекомендован к повсеместному
использованию.
4. Однослойная наплавка под флюсом.
Этот способ наплавки исследовался в НИИАТе и КАЗНИПИАТе [3]. Для наплавки
применяли проволоку разных марок, в том числе пружинную 2 класса ГОСТ 1071-
81, ОВС, НП-30ХГСА, Св-08, Св-10Х13, Св-12ГС ГОСТ 792-67 и другие. Наплавку
производили под флюсами АН-348А, ОСЦ-45, АН-15, АН-20 ГОСТ 9087-81 без
примешивания и с примешиванием к флюсу графита, феррохрома, ферромарганца,
ферромолибдена, алюминиевого порошка и других компонентов для получения
наплавленного металла мартенситной структуры с твердостью HCR 56-62 без пор
и трещин. Наплавку производили при разном шаге, прямой и обратной
полярности, разных напряжений дуги и индуктивности сварочной цепи, скорости
подачи электродной проволоки и вращения детали. Все разновидности
однослойной наплавки под флюсом не дали положительных результатов.
Наплавленный металл имел неоднородную структуру и твердость, содержал поры,
трещины и шлаковые включения.
5. Двухслойная наплавка проволокой Св-08 под легирующим слоем флюса.
Этот способ наплавки разработан в НИИАТе [3]. Лучшие результаты из
многочисленных вариантов двухслойной наплавки получаются при использовании
малоуглеродистой проволоки Св-08 диаметром 1,6 мм и легирующего флюса АН-
348А (2,5 части графита, 2 части феррохрома №6 и 0,25 частей жидкого
стекла). Металл первого слоя имеет аустенитное строение и твердость HRC 35-
38. Второй слой имеет мартенситное строение и твердость HRC 56-62 и
содержит небольшое количество пор. Недостатком этого способа наплавки
является образование большого количества трещин в наплавленном слое,
вызывающих повышенный износ сопряженных вкладышей. Усталостная прочность
чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ 53-А, восстановленных двухслойной
наплавкой под легирующим флюсом, снижается на 26- 28% т.е. меньше, чем при
вибродуговой наплавке в жидкости. Наличие на поверхности шеек большого
количества трещин не позволяет рекомендовать этот способ для широкого
применения.
6. Двухслойная наплавка порошковой проволокой.
Схема процесса сварки порошковой проволокой.
Рис. 1.3
Этот способ разработан в Казахском научно-исследовательском институте
автомобильного транспорта в 1966 году [3]. Наплавленный металл второго слоя
имеет структуру мартенсита и твердость HRC 56-60. Существенным недостатком
этого способа наплавки является образование пор, раковин и трещин в
наплавленном слое. Износостойкость наплавленных шеек находится на уровне не
наплавленных. Усталостная прочность восстановленных чугунных коленчатых
валов снижается на 44%. В связи с выше перечисленными недостатками этот
способ восстановления чугунных коленчатых валов рекомендовать нельзя.
7. Наплавка в среде углекислого газа.
Схема наплавки в среде углекислого газа.
Рис. 1.4
Способ наплавки разработан в НИИАТе [3]. Шейки чугунных коленчатых
валов наплавлялись проволокой разных марок, в том числе Нп-2Х13, ОВС, Св-
12ГС, Нп-30ХГСА, Св-08 и другими. Во всех случаях структура наплавленного
металла была неудовлетворительной, в слое имелись поры и трещины.
Наименьшее количество дефектов на поверхности шеек получается при наплавке
проволокой Нп-2Х13, наплавленный металл при этом имеет структуру аустенита
с карбидной сеткой и неравномерную по длине твердость, колеблющуюся от HRC
51-60. Износ шеек чугунных коленчатых валов, наплавленных в углекислом газе
проволокой Нп-2Х13, был больше не наплавленных шеек. Усталостная прочность
при этом способе снижается на 45-50%. Из-за указанных недостатков такую
наплавку применять нецелесообразно.
8. Плазменная металлизация [10].
Схема плазменного напыления.
Рис.1.5
Среди новых технологических процессов большой интерес для процесса
восстановления деталей автомобилей представляет способы нанесения
металлопокрытий с использованием плазменной струи в качестве источника
тепловой энергии. Наиболее перспективным способом восстановления деталей
нанесением износостойких металлопокрытий является плазменное напыление с
последующим оплавлением покрытия. При этом в металле оплавленного покрытия
доля основного металла минимальна. Покрытие обладает высокой
износостойкостью, без пор и трещин. Процесс является
высокопроизводительным. Недостатком этого способа является высокие
начальные капиталовложения в оборудование. В нынешних условия при
отсутствии оборотных средств у предприятий этот недостаток не позволяет
рекомендовать способ к повсеместному использованию.
9. Лазерный способ восстановления[10].
Этот способ не может быть рекомендован к использованию на данном
этапе в силу высокой стоимости оборудования и высокой требовательности к
обслуживающему персоналу и культуре производства.
10. Наплавка под легирующим флюсом по оболочке [3].
Этот способ восстановления чугунных коленчатых валов разработан в
НИИАТе и позволяет получить наплавленный металл без пор и трещин при более
высокой, по сравнению с другими способами, усталостной прочности
восстановленных чугунных коленчатых валов. Достоинством этого способа
является отсутствие пор и трещин, высокие прочностные характеристики и
простое, доступное по цене, оборудование.
Сущность способа восстановления чугунного коленчатого вала с
применением защитных металлических оболочек:
Сущность способа заключается в следующем. Деталь обвертывают,
металлической оболочкой из листовой стали, плотно прижимают оболочку к
поверхности детали с помощью специального приспособления и сваркой в среде
углекислого газа прихватывают ее в стыке. После удаления приспособления
производят автоматическую наплавку детали под флюсом по металлической
оболочке непосредственно.
Схема наплавки под флюсом по оболочке.
Рис. 1.6
Известно [12], что для устранения трещин в наплавленном металле
необходимо уменьшить в нем содержание углерода, кремния, марганца, серы и
фосфора. Поскольку высокопрочный чугун содержит значительное количество
этих элементов, при экспериментах применяли оболочку из стали 08 и
проволоку Св-08, содержащие их в небольшом количестве.
При наплавке под флюсами АН-348А, ОСЦ-45, АН-15, АН-20 лучшее
формирование слоя и меньшее количество дефектов получилось при
использовании флюса АН-348А. С увеличением толщины [3] оболочки глубина
проплавления высокопрочного чугуна уменьшается (Рис.1.6), соответственно
уменьшается поступление в наплавленный металл углерода, кремния, марганца и
других элементов. Поэтому для получения наплавленного металла мартенситной
структуры с твердостью HRC 56-62 во флюс добавляли графит и феррохром,
обеспечивая содержание в наплавленном металле углерода 0,6-0,8% и требуемое
количество хрома.
При толщине оболочки 0,8 мм трещины и поры в наплавленном металле
отсутствовали, в то время как при обычных способах наплавки высокопрочного
чугуна при содержании углерода 0,6-0,8% трещин и пор избежать не удается.
Зависимость глубины проплавления основного металла
от толщины оболочки.
Рис. 1.7
Роль оболочки в устранении пор и трещин.
С увеличением толщины оболочки уменьшается глубина проплавления
чугуна и соответственно количество образующейся окиси углерода, вызывающей
образование пор. При толщине оболочки 0,8 мм и более небольшое количество
окиси углерода успевает выделиться из расплавленного металла и пор в нем не
наблюдается. Устранению трещин при наплавке по оболочке способствует два
фактора: уменьшение поступления в наплавленный слой кремния, марганца,
магния и уменьшение величины и скорости нарастания растягивающих напряжений
в наплавленном валике в период его кристаллизации благодаря уменьшению сил
сопротивления усадок валика за счет перемещения или пластической деформации
оболочки. Доказано [13], что образование горячих трещин происходит в период
нахождения расплава в твердожидком состоянии при определенной величине и
скорости нарастания внутренних напряжений.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
|