Содержание к диссертации
Введение
{.Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Технологические требования к коленчатым валам 8
1.2 Технологические способы восстановления шеек коленчатых валов наплавкой 10
1.3 Технологические способы восстановления шеек коленчатых валов напылением 15
1.4 Технологические способы восстановления шеек коленчатых валов методами наварки различных металлов 19
1.5 Основные выводы и задачи исследования 27
2. Теоретические предпосылки к разработке технологического процесса восстановления коленчатого вала 29
2.1 Структурная схема технологического процесса 29
2.2 Методика расчета минимальной остаточной толщины ленты 34
2.3 Методика теплового расчета 42
3. Методика экспериментальных исследований, применяемое оборудование и приборы 50
3.1 Общая методика и структура исследований 50
3.2 Методика экспериментальных исследований по приварке свертной закаленной втулки , 52
3.3 Методика определения температуры 59
3.4 Методика определения напряжений в закаленной втулке 61
3.5 Методика измерения твердости и микротвердости 64
3.6 Методика металлографического исследования 66
3.7 Обработка результатов измерений 66
4. Экспериментальные исследования операционной технологии восстановления шеек коленчатых валов 71
4.1 Математическая модель процесса приварки разрезной втулки кольцевыми швами к шейке вала 71
4.2 Исследования твердости приваренной ленты 79
4.3 Исследования теплопередачи сопряжения лента-шейка вала 83
4.4 Металлографические исследования 89
4.5 Исследования по определению остаточных напряжений в приваренной втулке 93
4.6 Усовершенствованный технологический процесс восстановления шеек коленчатых валов. 94
4.7 Технико-экономическая эффективность разработанной технологии восстановления шеек коленчатых валов 95
Общие выводы 98
Список литературы
- Технологические требования к коленчатым валам
- Методика расчета минимальной остаточной толщины ленты
- Методика экспериментальных исследований по приварке свертной закаленной втулки
- Исследования твердости приваренной ленты
Введение к работе
Около половины всех затрат при капитальном ремонте техники приходится на материалы и запасные части, поэтому вторичное потребление восстановленных деталей является крупным источником снижения материалоемкости. Проблема снижения, материалопотребления в ремонтном производстве сводится главным образом к полному использованию ремонтопригодных деталей. Успешное ее решение должно основываться на данных об экономически оправданных объемах изношенных деталей, которые могут повторно использоваться в процессе производственной деятельности ремонтных предприятий.
Выдвигающиеся требования полного обеспечения народного хозяйства новыми запасными частями часто не учитывают потенциальные возможности покрытия потребности в запчастях за счет восстановления и вторичного использования изношенных деталей. К сожалению, к изношенным деталям долгое время относились как к металлолому, хотя одним из важных резервов, направленных на удовлетворение потребности в запчастях, является массовое восстановление их на индустриальной основе [9].
Задача восстановления коленчатых валов является сравнительно сложной и до настоящего времени окончательно не решена. В связи с этим применяется множество вариантов технологических процессов восстановления коленчатых валов.
Наиболее известными способами восстановления изношенных поверхностей шеек валов являются напыление, наплавка и наварка различных металлов.
В связи с этим, проведенное на кафедре ТКМ СПГАУ в 2003,..2006 годах исследование, направленное на совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов автотракторных двигателей внутреннего сгорания, актуально и при внедрении полученных результатов может иметь важное значение для ремонта машин.
Цель работы; совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов путем применения полуавтоматической дуговой приварки разрезной ремонтной втулки.
Задачи исследования:
- на основании анализа ранее проведенных исследований предложить новый
способ приварки ремонтной втулки к восстанавливаемой шейке вала;
разработать технологический маршрут приварки ремонтной втулки к восстанавливаемой шейке вала;
разработать расчетно-теоретический метод определения минимальной остаточной толщины стенок ремонтной, втулки;
разработать расчетно-теоретический метод определения температурных полей в ремонтной втулке и шейке вала;
разработать расчетно-теоретический метод определения технологических напряжений в приваренной ремонтной втулке;
- провести экспериментальные исследования по определению качества
сварных швов и напряжений, действующих в приваренной ремонтной втулке.
Объект исследований:
- технологический процесс восстановления шеек коленчатых валов
автотракторных двигателей;
- технологические операции, связанные с приваркой ремонтной втулки к
восстанавливаемой шейке вала.
Научная новизна:
- предложен способ фиксации ремонтной втулки на восстанавливаемой
шейке коленчатого вала, для которого обоснованы конструктивные и
технологические параметры;
- установлена минимально необходимая площадь сварных швов,
фиксирующих ремонтную втулку на шейке вала;
- предложена методика расчета минимально необходимой остаточной
толщины стенок ремонтной втулки, приваренной к шейке вала;
- предложена методика расчета напряжений в приваренной ремонтной
втулке;
- предложена методика расчета тепловых потоков в приваренной ремонтной
втулке и шейке вала;
установлены физико-механические параметры сварных швов, и зон термического влияния, фиксирующих ремонтную втулку на восстанавливаемой шейке вала;
определены технологические напряжения, действующие в приваренной ремонтной втулке.
Практическая значимость:
- разработан технологический маршрут и его технологические операции,
обеспечивающие фиксацию ремонтной втулки на восстанавливаемой шейке
вала;
- предложены технологические методы приварки ремонтной втулки и
последовательность их применения;
- разработана компоновка рабочих органов установки для
механизированной приварки ремонтной втулки на восстанавливаемую шейку
коленчатого вала.
Реализация результатов исследований:
результаты исследований по совершенствованию технологии восстановления шеек коленчатых валов приняты для использования НИЛ кафедры СПГАУ и создания специализированного участка по восстановлению автотракторных коленчатых валов в технопарке «Царское село». Акт о внедрении и модель спроектированной установки представлены в приложении 3.
Апробация:
Материалы по результатам исследований были представлены на ежегодных научно-практических конференциях преподавателей и аспирантов СПГАУ в 2004...2006 годах.
7 На защиту выносятся:
- способ фиксации ремонтной втулки на восстанавливаемой шейке
коленчатого вала и технологические методы для его реализации;
методика расчета минимально-необходимой остаточной толщины стенок ремонтной втулки, приваренной к шейке вала;
методика расчета напряжений в приваренной ремонтной втулке;
методика расчета тепловых потоков в приваренной ремонтной втулке и шейке вала;
- физико-механические характеристики приваренной ремонтной втулки к
шейке вала.
Основные положения, выносимые на защиту:
- при расчете толщины ремонтной втулки необходимо учитывать
минимально необходимую остаточную толщину приваренной втулки;
- на неустановившихся тепловых режимах работы двигателя температуры
коленчатого вала и ремонтной втулки должны быть одинаковыми.
Публикации:
По теме диссертации опубликованы 4 работы.
На рассмотрении ФИПС находится заявка на изобретение — на способ восстановления коленчатого вала.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, общих выводов, списка литературы и приложений.
Приведенный список литературы включает 52 наименования, из них 1 на иностранном языке.
Работа изложена на 113 страницах, содержит 40 рисунков, 19 таблиц, 9 страниц приложений.
Технологические требования к коленчатым валам
Процесс наплавки происходит при горении дуги между электродом и деталью под слоем сыпучего флюса, покрывающего ванну расплавленного металла, благодаря чему доступ воздуха к расплавленному металлу ограничивается. В процессе наплавки дуга частично расплавляет флюс и горит внутри полости с эластичной шлаковой оболочкой из расплавленного шлака, которая способствует замедлению охлаждения расплавленного металла, что улучшает условия его дегазации. После затвердевания металла образуется наплавленный валик, покрытый шлаковой коркой и не расплавившимся флюсом; затвердевшая шлаковая корка с поверхности валика удаляется. При автоматической наплавке цилиндрической поверхности детали при ее вращении расплавленный металл электродной проволоки формируется в винтовые валики, которые перекрывают друг друга примерно на одну треть [1].
Одним из основных способов является автоматическая наплавка пружинной проволокой под легирующим флюсом АН-348А с применением к нему феррохрома и графита без применения термической обработки после наплавки (НИИАТ).
Автоматическая наплавка коленчатых валов под флюсом производится на установке, которая состоит из следующих агрегатов: токарного станка, наплавочной головки, источника сварочного тока и электроделительного устройства. Все агрегаты установки соединяются сварочным проводом, площадь сечения которого по всей цепи должна быть равна 45-50мм2.
Так же применяют автоматическую наплавку пружинной проволокой под керамическим легирующим флюсом АНК-18 без применения термической обработки (Краснодарский АРЗ Сельхозтехники).
Керамический флюс марки АНК-18 разработанный институтом электросварки имени Е.О. Платонова, предназначенный для механизированной наплавки слоя стали проволокой Св-08 и Св-08А (ГОСТ 2246-60). На среднеуглеродистой стали, твердость наплавленного слоя получается в пределах НВ 350-400.
Для наплавки применяют преобразователь ПСО-500 и наплавочный автомат А-580М при обратной полярности. Наплавку производят в два захода. Сначала наплавляют галтели. Затем по винтовой линии при большом шаге без удаления шлаковой корки наплавляют шейку. После прекращения наплавки удаляют шлаковую корку. Затем суппорт станка с наплавочным автоматом возвращают к той галтели, от которой начинали наплавку, и электродную проволоку устанавливают в начале впадины между винтовым валиком (швом). После этого также без удаления шлака заплавляют впадину. Шаг наплавки подбирают таким, чтобы перекрытие первого винтового валика с обеих сторон вторым валиком было примерно на Уг его ширины. После наплавки всех шатунных шеек вал охлаждают на воздухе и правят [1].
С использованием стандартных методик подробно исследован состав слоя, наплавленного на сталь 45 проволокой Нп-80 под флюсом АН-348-А в зависимости от параметров режимов. Во всех случаях состав наплавленного слоя в значительной мере отличается от состава электродной проволоки и в меньшей степени от основного металла. Установлено закономерное послойное изменение углерода в зависимости от скорости подачи проволоки (следовательно, от величины сварочного тока), смешения электрода с зенита, полярности тока; построены графики соответствующих зависимостей. Максимальное содержание углерода достигается в первом слое ч составляет менее 50 % его уровня в наплавочной проволоке. Максимальный уровень углерода для каждой скорости подачи проволоки соответствует положению электрода в зените, при котором глубина проплавлення основного металла максимальная. В каждом последующем слое содержание углерода меньше, чем в предыдущем. В 5-ом слое содержание углерода стабилизируется на уровне 0,23 - 0,25 %. При обратной полярности тока содержание углерода выше, чем при прямой. По содержанию элементов металла первого и второго слоя, наплавленный на оптимальных режимах, ближе всего соответствует сталям 35ГС и 27ГС. Эти стали, могут быть подвергнуты закалке, в результате которой достигается высокая твердость металла [13].
Существует способ плазменно-порошковой наплавки, разработанный ВНИИТУВИД «Ремдеталь». Сущность этого способа заключается в том, что поверхность вала в сечении заходного витка нагревают плазменной дугой до температуры предельного теплонасыщения, после чего "начинают собственно наплавку - включают продольную подачу и подают порошок. За счет суммарного теплового воздействия от витков локального предварительного подогрева (уменьшается) и последующих витков наплавки (увеличивается) температура поверхности вала по фронту дуги поддерживается постоянной. Покрытие формируется в стабильных тепловых условиях с постоянными глубиной проплавлення, составом и свойствами.
Методика расчета минимальной остаточной толщины ленты
На рисунке 2.2 приведена схема полей припусков и допусков на обработку резанием восстанавливаемых шеек коленчатых валов. db cb; з соответственно номинальный, расчётный и нарощенный диаметры шейки; Tdb Td2; Td3 - соответственно допуски на номинальный, расчетный и нарощенный диаметры; Td2 - допуск на шлифование в расчетный размер; Td4 - допуск на предварительное шлифование восстанавливаемых шеек; Td5 - допуск на окончательное шлифование и полирование восстанавливаемых шеек; Zrmjn; Z,2min; Z3mi„ - соотвественно минимальные припуски на предварительное и окончательное шлифование и на полирование; Аизи - износ шейки при последней эксплуатации; Zy рр - суммарный припуск на ремонтные размеры; ZOCT - припуск на остаточную толщину стенок ремонтной втулки; Тл - допуск на толщину стенок ремонтной втулки; 5Л - толщина стенок ремонтной втулки.
Приведенная на рисунке 2.2 схема позволяет определить не только номинальные размеры ремонтной втулки, используемой для восстановления шеек коленчатых валов, но и определить остаточную толщину стенок ремонтной втулки после выработки валом установленного ресурса. Важно, чтобы в этот момент ремонтная втулка не разрушилась и не вызвала аварийный износ двигателя. В схеме на рисунке 2.2 Z0CT численно равен 25л.осг, где 25л.ост - минимальная остаточная толщина стенки ремонтной втулки. Для расчета величины 28л.ост примем, что за период эксплуатации коленчатого вала посадка с натягом ремонтной втулки на шейке вала сохранилась. На рисунке 2.3 показан фрагмент восстанавливаемой шейки вала. 1- шейка вала; 2- ремонтная втулка; 3-кольцевой сварочный шов; 4- галтель; 5- стыковой сварочный шов; 6- электрозаклепки.
После шлифования восстанавливаемой шейки в номинальный и ремонтный размеры и последнего периода эксплуатации на шейке вала должна сохраниться ремонтная втулка с толщиной стенки 5П.0СГ (рисунок 2.4).
Схема действия сил на стенки ремонтной втулки: 1 - шейка вала; 2 - стыковой шов; 3 - ремонтная втулка; Рвт - давление шейки вала на ремонтную втулку под влиянием натяга; 6Я.0СТ - минимальная остаточная толщина стенки ремонтной втулки; 5Л - толщина стенки приваренной втулки. Давление Рвт вызывает в стенках ремонтной втуліш растягивающие напряжения dp. Зная допускаемое напряжение [а]р для материала ремонтной втуліш, можно рассчитать минимально допустимую остаточную толщину стенки ремонтной втулки. Из задачи определения напряжений в тонкостенных полых цилиндрах [24] известно, 41 N = Pm-dp z\+z\ \E] E2) (2.1) где Рвт давление шейки вала на внутреннюю поверхность ремонтной втулки; N - натяг в сопряжении шейка-ремонтная втулка; dp - расчетный диаметр восстанавливаемой шейки; Ei и Е2 - модули упругости материала ремонтной втулки и шейки вала; Сі я С2 - коэффициенты. + С,= 1 V (d Л \dsJ 7 +Яі (d \ 11 Kd J С2 = 1+ Kdpj d\ \dPJ м2 (2.2) где d - наружный диаметр ремонтной втулки; dp - расчетный диаметр шейки вала; di - диаметр внутренней полости шейки (di=0); Ці и ц2 - коэффициенты Пуассона (для стали иЮ,3). Из формулы (2.1) следует Р = em ZL + ZA (2.3)
Ремонтную втулку, изготовленную из тонкостенной ленты по соотношению к восстанавливаемой шейке вала, можно принять за тонкую симметричную оболочку и применить теорию расчета тонкостенных оболочек со всеми допущениями.
Для оболочки имеющей форму тела вращения, при симметричном нагружении осевое напряжение может быть найдено из условий равновесия части оболочки, отсеченной нормальным круговым сечением, а окружное напряжение из уравнения Лапласа [24] где Рвт- давление на внутреннюю поверхность ремонтной втулки; RJH R2 - главные радиусы кривизны; 6Л осг—остаточная толщина стенок ремонтной втулки;
О х- напряжение в круговом нормальном сечении; у- напряжение в осевом сечении. В целях упрощения расчетов при рассмотрении действующих на ремонтную втулку напряжений не примем во внимание электрозаклепки. При фиксации разрезной ремонтной втулки на шейке вала стыковым сварочным швом (рисунок 2.5) на стенки ремонтной втулки действуют напряжения ахи оу Схема действия напряжений в ремонтной втулке при ее фиксации стыковым швом Pem-R Для формы оболочки и вида нагрузки, приведенной на рисунке 2.4 [24] Л. R (2.5) = л.ост у = где R - радиус ремонтной втулки. Преобразуя формулу (2.5) для условия определения минимально необходимой толщины стенки ремонтной втулки получим S. м, (2-6) где к - коэффициент запаса, принимаем к=2. Приварка ремонтной втулки дополнительно двумя кольцевыми швами изменит действия напряжений в стенках втулки (рисунок 2.6) [15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30].
Методика экспериментальных исследований по приварке свертной закаленной втулки
Все экспериментальные исследования проводили на образцах, имитирующих шейку коленчатого вала. Использовался круглый прокат диаметром 90мм из стали 45 без термообработки. Каждый образец шейки вала шлифовался. Затем при помощи плазменной сварки привариварились втулки из стальной ленты при помощи стыкового шва и электрозаклепок. Сварка производилась в присутствии присадочного материала в среде аргона. Затем на экспериментальной установке на различных режимах кольцевыми швами приваривалась окончательно ремонтная втулка.
Разрезную ремонтную втулку изготавливали из стальных лент 65Г;30ХГСА толщиной 1,8мм.
Основные характеристики механических свойств, применяемых матералов ремонтных втулок [35]. 1. Сталь 65Г (ГОСТ 2283-79) Назначение - детали, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости.
Свариваемость - не применяется для сварных конструкций. гибочном приспособлении (рисунок 3.2) ленту сгибали в разрезную втулку с диаметром чуть меньше диаметра предварительно обработанной шейки. На оправке производили сверления отверстий под масляный канал и электрозаклепки 03...5мм. Рисунок 3.2 - Гибочное приспособление
Термическую обработку разрезных втулок выполняли в муфельных печах (риссунок 3.3). В первой печи производили закалку, нагревая втулки до температуры закалки с последующим охлаждением в масле. Во второй печи закалённую втулку нагревали до температур отпуска в зависимости от заданной твёрдости поверхности втулки и затем охлаждали.
Перед установкой на восстанавливаемую шейку вала разрезные втулки тщательно очищали от нагара.
Для приварки разрезной втулки в стыке использовалась плазменная установка УПС 301 (рисунок 3.4). Эта установка предназначена для ручной плазменной сварки. В комплект установки входят блок питания, блок управления и плазмотрон. В качестве плазмообразующего газа использовался аргон (ГОСТ 10157-73, высший сорт). Рабочее напряжение 18...40В, пределы регулирования рабочего тока 20.. .315А.
Приварка ремонтной втулки кольцевыми швами производилась на установке для автоматической наплавки (рисунок 3.5). В качестве защитного газа использовался углекислый газ С02.
Для шлифования шеек у образцов применяли специализированный шлифовальный станок модели ЗА423. Станок указанной модели является широкоуниверсальным, пригодным для шлифования, как коренных, так и шатунных шеек коленчатых валов автотракторных двигателей. Для шлифования восстанавливаемых шеек применяли абразивные круги 24А40(СМ2...С2) К5. Режимы шлифования: скорость шлифовального круга-25...35 м/с, скорость шлифуемой поверхности 20...25 м/мин (коренные шейки) и 7...12 м/мин (шатунные шейки). Поперечная подача круга 0,02...0,03 мм при предварительном шлифовании и 0,005...0,01 мм при чистовом. Шлифование производилось с врезанием и последующим выхаживанием в размер. Для предотвращения прижогов при шлифовании применяли обильное охлаждение. В качестве охлаждающей жидкости использовали 3...4% раствор кальцинированной соды или эмульсию (Юг эмульсола на 1л воды). После шлифования проводили обработку острых краёв масляных каналов и полирование шеек вала, под которое оставляли припуск 0,005мм.
Исследования твердости приваренной ленты
При приварке ремонтной втулки кольцевыми швами сварочная дуга должна проплавить основной металл шейки коленчатого вала на определенную глубину. Теоретически необходимая глубина проплавлення основного металла, обеспечивающая получение прочного сварного соединения может быть весьма незначительной. Практически среднюю глубину проплавлення при дуговой сварке поддерживают в пределах не менее 1...1.5 мм, так как вследствие агучайньгх отклонений режима дуги от стационарных условий при меньшей средней глубине проплавлення возникает опасность непровара. Избыточная глубина проплавлення может изменять свойства наплавленного металла вследствие увеличения доли основного металла в шве. Схема зоны проплавлення: В - ширина проплавлення; Н - глубина проплавлення; Рн - зона приварки; г щ - зона проплавлення.
Основной металл в зоне термического влияния подвергается своеобразной термической обработке. Структура металла в этой зоне изменяется в соответствии с термическим циклом нагрева и охлаждения.
Очертание зоны проплавлення характеризуют следующие измерители [36]; Н/В - относительная глубина проплавлення, F ftp № г, и - коэффициент полноты. (4.1) Обычно при токе Г МО-ЗООА коэффициент полноты № w 0.6 -0.7[36,37]. Построение математической модели объекта решалось с помощью планирования многофакторного эксперимента. Параметром оптимизазации была принята глубина проплавлення при приварке кольцевого шва.
В качестве входных переменных были использованы величина тока I и скорость наплавки S. Величина напрюкения равная 40В в процессе экспериментов находилась на оптимальном уровне.
После предварительных экспериментов были приняты интервалы варьирования факторові и S (таблица4.1).
Планирование эксперимента для получения линейной модели основано на варьировании факторов на двух уровнях. Если число уровней факторов равно двум, то имеем следующий полный факторный эксперимент (таблица 4.2) Для измерения отклонений результата любого опыта от среднего Л арифметического применяем дисперсию S л2 (Y,.-Y)3 и-1 (4.4) где (п-1) - число степеней свободы минус единица. Тогда среднее квадратическое отклонение будет равно; (4.5) где п - число повторных опытов в точках плана. В таблице 4.3 представлены результаты испытаний в точках плана.
С учётом сложности проведения повторных опытов при усреднении дисперсии воспользуемся средневзвешенньш значением дисперсий, взятых с учётом числа степеней свободы (f4i - 1).
Анализ эффектов влияния факторов показывает, что сила тока оказывает влияние меньше, чем скорость приварки (рисунок 4.3, кривая 1).
Скорость оказывает наиболее существенное влияние на процесс приварки от 4 до 10 мм/с, причем с увеличением скорости влияние резко отрицательное. При увеличении скорости приварки с 10 до 16 мм/с отрицательное влияние снижается (рисунок 4.3, кривая 2).
Проверку значимости уравнения регрессии производим по критерию квадрата множественного коэффициента корреляции R и F - критерию Фишера. Результаты значений F по каждому фактору приведены в таблице 4.5
Проверка по R2, уравнение значимо, если R2 0.73, В нашем случае 0,99 0,73 уравнение значимо [45]. Рассчитаем число степеней свободы по критерию Фишера: /,=#1-1 = 9-1 = 8, (4.7) где п - число экспериментов. /2=я-т-1 = 9-6-1 = 2, (4.8) где m - число коэффициентов в уравнеии. Табличное значение критерия для уровня значимости 0,95 Ґтабл=8,7. 470,16 8.7, ґрасч табл, следовательно уравнение значимо и описывает результаты эксперимента [33]. По результатам эксперимента находим значения неизвестных коэффициентов модели. С учётом эффекта взаимодействия двух факторов матрица планирования эксперимента представлена в таблице 4.4. Записываем уравнение регрессии в виде у = в0 + в,х, + в2х2 + вихх + епх\ + e12jc,x2 (4.9) Исходные данные обрабатываем при помощи программы StatGraphics Plus. Получаем коэффициенты регрессии: в0=0,93; в,=0,25; в2=-0,6; в,,=0,05; в22=0,3; Bi2=-0,075. Подставляя полученные значения в (4.9) записываем уравнение регрессии у = 0,93 + 0,25х, - 0,6х2 + 0,05х,2 + 0,3х22 - 0,075x12.
