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.

Схема сил, препятствующих усадке наплавленного валика.

Рис. 1.8

Процесс усадки наплавленного металла происходит следующим образом.

При наплавке часть металла, Т.Ж (Рис. 1.8), находится в твердожидком

состоянии и при усадке уменьшается в радиальном А, тангенциальном Б и

осевом направлениях. Усадке валика в радиальном направлении А чугун не

препятствует. Усадке в тангенциальном направлении Б препятствует ранее

наплавленный валик по контуру аб, чугун по контуру бвг и оболочка по

контуру гд. При наплавке по винтовой линии в наплавленном металле в

основном возникают кольцевые трещины, поэтому рассматриваем процесс усадки

валика в осевом направлении В. Сопротивление усадке валика в осевом

направлении по контуру зи незначительно, поскольку разница в температуре на

границе твердожидкого и твердого металла невелика и их усадка происходит

почти одновременно. Поэтому усадке валика в направлении В препятствует

только чугун по контуры вг и оболочка по контуру гд.

При усадке валика в начале происходит упругая деформация оболочки и

чугуна. Поскольку чугун почти не обладает упругими свойствами [1], скорость

нарастания растягивающих напряжений со стороны оболочки в несколько раз

меньше, чем со стороны чугуна. После достижения предела текучести,

происходит пластическая деформация оболочки и чугуна, поэтому внутренние

напряжения в них не превзойдут предела текучести т.е.

[pic],

(1.1)

[pic],

(1.2)

где [pic], [pic] - напряжения в оболочке и чугуне;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7