Технологическое обеспечение качества восстановленных коленчатых валов дизельных двигателей с учетом их напряженно-деформированного состояния

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Применительно к автомобильным деталям коленчатый вал является самой дорогой либо второй по величине стоимости деталью, особенно для крупногабаритного (грузовых автомобилей или сельскохозяйственной техники) дизельного двигателя. До 70% затрат на ремонт автомобильной и сельскохозяйственной техники приходится на приобретение новых запасных частей взамен предельно изношенных. Предельные износы 85% деталей не превышают 0,3 мм, причем многие из них имеют остаточные ресурсы 60% и более и только 20% деталей автомобилей и тракторов, поступающих в ремонт, подлежат окончательной выбраковке. Остальные можно восстановить, причем себестоимость восстановления составит 15...70% от себестоимости изготовления.

Малогабаритные коленчатые валы, как показывает практика, дешевле заменить на новые, а крупногабаритные экономичней восстанавливать, так как восстановление позволяет получить существенную экономию металла, материальных, производственных и трудовых ресурсов. Но здесь возникают сложности - технологические проблемы базирования и механической обработки. В связи с этим повышение технологического обеспечения качества восстановления коленчатого вала на основе комплексного изучения базовой операции металлопокрытия, служащей для формирования вторичной заготовки восстанавливаемой детали, и дальнейшей механической обработки явилось актуальной задачей.

Под качеством в данном случае понимается приближение характеристик восстановленного вала к новому валу посредством минимизации или отсутствия дефектов, оптимального по эксплуатационным характеристикам наплавочного материала или совокупности материалов, оптимального режима обработки металлопокрытия коленчатого вала, износостойкости на рабочих поверхностях и вязкости в галтелях как главных концентраторов напряжений.

Цель - повышение долговечности крупногабаритных коленчатых валов на основе анализа напряженно-деформированного состояния и совершенствования технологического обеспечения их восстановления.

Для достижения данной цели поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Разработать математические модели для обоснования технологического обеспечения лезвийной обработки и формирования рабочих поверхностей коленчатого вала с учетом базирования шатунных шеек.

2. Разработать физическую и математическую модели коленчатого вала для определения внутренних напряжений на основе метода конечных элементов и метода фотоупругости для прогнозирования мест начала разрушения шеек вала.

3. Обосновать режим термической операции при нанесении наплавочного металлопокрытия для крупногабаритных коленчатых валов с учетом особенностей распределения температур с целью минимизации концентраторов напряжений.

4. Проанализировать изменение микротвердости по глубине металла коленчатого вала при нанесении различных наплавочных покрытий, что является основанием для формирования технологического процесса восстановления и обработки вала.

5. Выявить особенности макро- и микроструктуры металлопокрытий, на основе рентгенографических методов проанализировать остаточные внутренние напряжения второго рода.

6. Обосновать основные элементы режимов резания при обработке наплавленных слоев.

7. Разработать комплекс технологических операций, необходимых для достижения высокого качества восстановленных крупногабаритных коленчатых валов и дать технико-экономическую оценку повышения их долговечности.

Объект исследования - технологический процесс восстановления коленчатого вала двигателя КамАЗ-740, изготовленного из стали 42ХМФА ТУ 14-1-1296-75.

Предмет исследования - физические закономерности, происходящие при эксплуатации вала и реализации технологического процесса восстановления крупногабаритного коленчатого вала дизельного двигателя.

На защиту выносятся:

1. Математические модели технологической операции лезвийной обработки рабочих поверхностей шеек крупногабаритного коленчатого вала дизельного двигателя.

2. Методика прогнозирования мест разрушения в коленчатых валах с использованием метода конечных элементов.

3. Расчетный метод определения напряженно-деформированного состояния кривошипа с использованием стержневой системы.

4. Системный анализ результатов исследования: трещинообразования в коленчатых валах, изменения температур при нанесении наплавочных металлопокрытий, напряженно-деформированного состояния коленчатого вала методом фотоупругости, макро- и микроструктуры металлопокрытий, изменения микротвердости, рентгенографического, основных характеристик процесса резания при обработке наплавленных слоев лезвийным инструментом.

Научная новизна:

1. Разработано технологическое обеспечение для восстановления крупногабаритных коленчатых валов дизельных двигателей, обосновывающее режим резания лезвийным инструментом наплавленного материала и режим формирования наплавляемого покрытия на основе построения новых математических моделей.

2. Разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния крупногабаритных коленчатых валов посредством применения методов конечных элементов, фотоупругости и стержневых систем для прогнозирования мест разрушения.

3. Разработана экспериментально-аналитическая модель процесса резания, учитывающая силовые, температурные, износовые характеристики и позволяющая определить основные параметры рациональных режимов лезвийной обработки металлопокрытия.

4. Обосновано рациональное соотношение наплавочных материалов и режим предварительной термической обработки для получения покрытия с минимальным количеством концентраторов напряжений, обеспечивающее качество поверхностного слоя восстановленных крупногабаритных коленчатых валов.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработано технологическое обеспечение процесса восстановления крупногабаритных коленчатых валов дизельных двигателей, обеспечивающее ему высокое качество (износостойкость и усталостную прочность), близкое к новым валам, а также экономически выгодное по затратам в современных условиях. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также предложенное технологическое обеспечение процесса восстановления использовано в эксплуатационном и ремонтном производстве НТЦ «Механик-Т» (СГТУ) при ремонте и восстановлении коленчатых валов дизельных двигателей и подтверждено актом внедрения.

1. Ретроспективный обзор и анализ различных технологических вариантов ремонта и восстановления коленчатых валов

коленчатый вал шатунный лезвийный

При этом охватывается большой временной диапазон и приводятся различные технологии, принятые в нашей стране и за рубежом.

Вопросами технологического обеспечения восстановления коленчатых валов занимались многие ученые и авторы фундаментальных трудов, такие как: В.В. Ефремов, В.А. Горохов, В.А. Наливкин, А.С. Денисов, И.И. Фрумин, В.В. Погораздов, Ю. А. Юзвенко, И.Р. Пацкевич, Н.Ф. Грохольский, В. Евдокимов, Ю. Мошенский, Н. Павличков, Н.И. Доценко, Г.П. Юдин, Й. Белла, М. Кучера, П. Панис, Д. Слижик, Б.Ф. Тугушев, М.А. Гоголицын, В.И. Чепеленко, Г.А. Кирилюк, В.В. Бартюк, В.А. Бабенко и др. За рубежом этим вопросом занимались: William R. Gleason, C.E. David, B.S. Robinoff, J.C. Smith, Jay C. Hardy и др.

По результатам анализа литературных источников и научных трудов следует отметить, что технологическому обеспечению восстановления крупногабаритных коленчатых валов уделялось, тем не менее, мало внимания и конкретного общепризнанного отечественного технологического процесса для восстановления крупногабаритных коленчатых валов дизельных двигателей нет, что подтверждает актуальность выбранной темы.

2. Общая структура технологического обеспечения процесса восстановления крупногабаритных коленчатых валов дизельных двигателей с выделением доминирующих операций дефектоскопии, наплавочной, термической и обработки наплавленных слоев лезвийным инструментом

Представлена общая методика исследования и ряд частных методик, включающих: исследования ремонтного фонда, исследования распределения температур в детали при наплавке, исследования микротвердости, макро- и микроструктуры, исследования распределения внутренних напряжений методом фотоупругости, методику рентгенографического анализа тонких кристаллических структур и основных характеристик резания при обработке наплавленных слоев точением.

3. Математическая модель напряженно-деформированного состояния крупногабаритных коленчатых валов посредством применения метода стержневых систем и методика прогнозирования мест разрушения в коленчатых валах с использованием метода конечных элементов

Для анализа возможных дефектов и прогнозирования мест разрушения коленчатых валов необходимо рассмотреть напряженно-деформированное состояние восстановленного крупногабаритного коленчатого вала, испытывающего знакопеременные нагрузки. Наиболее часто усталостное разрушение вала происходит по щеке в зоне перекрытия шатунных и коренных шеек (рис.1), которое для двигателей КамАЗ-740 составляет 27,5 мм при номинальном размере шеек.

При перешлифовывании коренных и шатунных шеек на последний ремонтный размер перекрытие сокращается на 2 мм (7,2%). Расчеты показывают, что уровень напряжений изгиба повышается при этом в среднем на 8%.

Рисунок 1 - Форма усталостного разрушения коленчатого вала по щеке

Существенно уменьшается размер несущего сечения в процессе эксплуатации за счет распространения усталостных трещин от очагов (в данном случае - галтелей), что показано на рис. 1.

Для анализа силового взаимодействия шатунной и коренной шеек в зоне их перекрытия была предложена плоская модель, представленная на рис. 2.

Здесь Z - равнодействующая сила, передаваемая от шатунов; ZA, ZB - реакции опор.

Для простоты рассматривали только правую часть модели, где lщ - толщина щеки; lкш - длина коренной шейки; p - величина перекрытия шеек. В зоне перекрытия сплошной металл был заменен неизменяемой стержневой системой, состоящей из стержней 2-1, 2-4 и 3-4.

Сами стержни имеют шарнирные соединения в соответствующих узлах и могут испытывать только осевые нагрузки в виде растягивающих или сжимающих усилий. Если рассечь стержневую систему линией 1-1 и рассмотреть правую часть (рис. 3), можно определить усилия в самих стержнях.

Рисунок 2 - Плоская модель кривошипа коленчатого вала



Рисунок 3 - Схема для определения усилий

Следовательно:

; (1)

; (2)

. (3)

В формулах (1)-(3) Ri-j - усилие, передаваемое стержнем, i - узел, на который передается усилие стержнем, j - узел от которого передается это усилие.

Верхний стержень 2-1 будет сжат, а два других - 2-4 и 3-4 - растянуты. Если взять в качестве примера перекрытие между 4-ми коренной и шатунной шейками двигателя КамАЗ-740, то 27 мм (с учетом надгалтельных буртиков), 36 мм, p = 27,5 мм, то получается, что R2-1 = 1,64 ·Zb; R2-4 = 1,40 ·Zb; R3-4= 0,66 ·Zb . Из этого следует, что самое большое растягивающее усилие - в стержне 2-4 и оно сопровождается растягивающим усилием в стержне 3-4, которое составляет 47% от нагрузки в 2-4. Усилие в стержне 2-1 хоть и на 17,1% превышает нагрузку в 2-4, но оно сжимающее, поэтому считаем, что не несет ответственность за разрушение детали, а опасное сечение соответствует расположению стержня 2-4, что хорошо видно на практическом примере (рис. 1). Далее рассматривалась геометрия опасного сечения, моделью которого служил стержень 2-4.

Для разработки модели, пригодной к анализу процесса разрушения, рассматривалась схема перекрытия шеек (рис. 4,а). Исходя из нее, для величины перекрытия шеек p, имеем:

p=Rк+Rш-r, (4)

где Rк - радиус коренной шейки; Rш- радиус шатунной шейки; r - радиус кривошипа.

Для коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 при радиусе кривошипа 60 мм, номинальном диаметре коренной шейки 95 мм и шатунной - 80 мм величина p соответствует 27,5 мм, что указывалось выше. Далее задача состояла в определении координат точек В и С (точек пересечения контуров коренной и шатунной шеек) относительно осей X и Y. Исходя из правил аналитической геометрии, опираясь на уравнение окружности, получаем координаты точек окружностей коренной и шатунной шеек. Решая систему уравнений при вышеуказанных размерах, получаем координаты точек пересечения окружностей шатунной и коренной шеек (в мм) относительно центра окружности коренной: B(-31,594; 35,469); С(31,594; 35,469). Отсюда вычисляем все недостающие параметры схемы на рисунке 4,а. Тогда:

, (5)

где a- хорда перекрытия шеек; х - значение абсциссы точки В или С.

Для определения стрелы сегмента коренной шейки hк и стрелы сегмента шатунной шейки hш при ординате точек пересечения y использовались следующие зависимости: hк= Rk - y=12,031 (мм) ; (6)

hш= Rш - (r - y)=15,469 (мм). (7)

Для определения длины дуги перекрытия, соответствующей коренной шейке lк и длины дуги перекрытия, соответствующей шатунной шейке lш, использовали значения из (5-7) и формулы:

; (8)

. (9)

Было сделано допущение, что, эти дуги представляют собой границы опасного сечения вдоль направляющей линии цилиндрических поверхностей шеек. Длину опасного сечения l можно определить из рис. 2 по формуле:

. (10)

Численное значение здесь определено для щеки, расположенной между 4-й коренной и 4-й шатунной шейками коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 с учетом надгалтельных буртиков.

Таким образом, можно с некоторыми допущениями представить опасное сечение в виде плоской модели, к которой приложено растягивающее усилие (рис. 4,б).

Модель представляет собой равнобедренную трапецию, верхнее и нижнее основание которой равны длинам опорных дуг lк и lш, вычисленным по формулам (8) и (9), а высота равна величине l, вычисленной по формуле (10). Верхнее основание имеет распределенную связь по оси Y и лишено перемещений по оси X. Нижнее основание нагружено распределенной (условно считали, что равномерно распределенной) нагрузкой q, направленной вдоль оси Y, также нижнее основание лишено перемещений вдоль оси X . Отсутствие перемещений по оси Х моделирует влияние на опасное сечение оставшейся части щеки, включая противовес, которые не испытывают рассматриваемых нагрузок.

При выводе аналитического описания кривой многоцикловой усталости, считали, что интенсивность разрушения F возрастает прямо пропорционально фактической амплитуде действующих напряжений аф, то есть

(11)

где dFР - элементарно малая площадь разрушения за количество циклов dN ; a - коэффициент пропорциональности, характеризующий изменениеf на единицу

Рисунок 4 - а - схема перекрытия шеек коленчатого вала; б - плоская модель опасного сечения и схема ее нагружения

амплитуды напряжений .

Данное допущение можно объяснить законом Гука, по которому в пределах упругости деформация (приводящая к микропластическим разрушениям) прямо пропорциональна величине приложенных напряжений. Поэтому зависимость уаф от Fр с учетом этих факторов можно принять как второе допущение линейной в виде

, (12)

где ; c - коэффициент пропорциональности, характеризующий изменение амплитуды напряжения на единицу площади разрушения (). Величина применяется в качестве свободного члена вследствие того, что усталостные разрушения начинают развиваться только при условии a>-1, то есть при превышении амплитудой предела усталости.

С учетом зависимости (12) дифференциальное уравнение (11) принимает вид:

(13)

Интегрирование дифференциального уравнения (13) при начальных условиях Fp= 0 при N = 0 позволяет получить зависимость площади разрушения Fp от числа циклов N, следовательно, можем рассчитать зависимость фактической амплитуды напряжений аф от числа циклов нагружения и, как следствие, можем определить общую площадь разрушений:

(14)

При совершенствовании конструкции коленчатого вала и обосновании способов его восстановления необходимо учитывать особенности усталостных разрушений. Это в первую очередь относится к недопущению холодной правки валов, что снижает усталостную прочность на 30% и более. Аналогичное действие оказывает сетка микротрещин в зоне разъема штампа (на 20-40%). Накатка галтелей роликом повышает усталостную прочность на 15%.

Главным критерием анализа в рассматриваемой области является соответствие характера разрушения реального объекта характеру прогнозируемого разрушения модели. Коленчатый вал, наплавленный под слоем флюса АН-348А проволокой 1,6Нп-30ХГСА, был прошлифован (рис. 5), после чего эксплуатировался в реальных условиях до момента его разрушения. Разрушение произошло в двух местах: поперек четвертой кривошипной шейки со стороны заднего торца детали и в зоне прилегающей щеки со стороны переднего фланца вала (рис. 6).

Классическая схема нагружения для расчета коленчатого вала представлена на рис. 7. Расчетными нагрузками при этом являются радиальная Z и тангенциальная T (действующая на плече, равном радиусу кривошипа r) составляющие суммарных сил. Точный расчет коленчатого вала на прочность вследствие сложности его формы практически невозможен. Применяют, главным образом, расчет коленчатого вала как плоской двухопорной рамы, один конец которой опирается на подвижный шарнир, а другой - на неподвижный. Осевые нагрузки при этом отсутствуют. Изучение причин поломок коленчатых валов показывает, что в большинстве случаев они являются следствием усталости материала детали. Элементы фрактографического исследования представлены на рис. 8, 9.

Наиболее опасными в этом отношении участками коленчатого вала являются те, где может возникнуть значительная концентрация напряжений.

Априорно известно, что в шатунных и коренных шейках опасными местами являются края отверстий для смазки, а в щеках - места сопряжения их с шейками.

Практический опыт лабораторных испытаний и эксплуатации показывает, что в предельном состоянии коленчатый вал, как правило, бывает разрушен в результате действия нормальных напряжений, вызванных изгибающими нагрузками в плоскости кривошипа.

Рисунок 5 - Четвертая кривошипная шейка коленчатого вала до разрушения

Рисунок 6 - Характер разрушения шейки коленчатого вала в результате его эксплуатации

Крайне редко коленчатые валы имеют характерный вид разрушения от кручения. Теоретически процесс распределения внутренних напряжений в коленчатом вале можно описать, применяя сеточные или вариационные методы расчета. Метод конечных элементов относится к разряду вариационных.

Были допущения:

- во-первых, рассматривалась плоская модель, имеющая очертания проекции фрагмента реального коленчатого вала на плоскость, параллельную плоскости кривошипа;

- во-вторых, в силу закономерности:

, (15)

Рисунок 7 - Классическая расчетная схема коленчатого вала

где Mиз - величина изгибающего момента, Z0 - реакция опоры в плоскости кривошипа, - расстояние от опоры до середины кривошипной шейки, Pпр - центробежная сила инерции от вращения противовесов, Pс - центробежная сила инерции от вращения кривошипа, - расстояние от опоры до щеки вала, мы пренебрегли составляющими Pпр и Pс, условно считая, что они уравновешивают друг друга;

- в-третьих, нагрузку на кривошипную шейку от двух шатунов заменили равномерно распределенной нагрузкой и приравняли ее к единице, последнее, в пределах закона Гука, не ведет к изменению соотношений между собой величин внутренних напряжений, поэтому картина распределения их в детали остается прежней;

- в-четвертых, учитывая, что максимальная нагрузка от давления газов передается через шатун при угле поворота коленчатого вала ц равном, примерно, 15° от верхней мертвой точки такта сжатия, практически вся эта нагрузка Pш, в силу малости указанного угла, прикладывается в качестве перерезывающей силы к кривошипной шейке, а тангенциальная составляющая T весьма невелика, так же как и T0, по этой же причине не рассматривался набегающий MKi и сбегающий MK(i+1) крутящие моменты.

Таким образом, использовалась двумерная модель (рис. 10). Аппроксимация проводилась треугольными элементами. Разбиение на конечные элементы представлено на рис. 11. Схема предусматривала 194 узла, что было вполне достаточно для визуализации результатов. Расчет осуществлялся в среде программы Elcut 4.2.

Рисунок 8 - Макроструктура излома в щеке: переход из зоны развития усталостной трещины в зону хрупкого разрушения (50:1)



Рисунок 9 - Макроструктура поперечного излома шейки: зона развития усталостной трещины (50:1)

Оценка напряженного состояния проводилась по критерию фон Мизеса уe , для которого формула в общем виде выглядит так:

, (16)

где у1, у2 и у3 - главные напряжения, упорядоченные по убыванию. При этом в конкретно рассматриваемом двумерном случае у3 = 0.

Результаты расчета представлены на рис. 11.

На рис. 6 и 11 справа (со стороны заднего торца вала) видна характерная S - образная область, проходящая поперек кривошипной шейки. Расположение на рис. 11 области напряженного состояния слева от кривошипной шейки (со стороны переднего торца вала) также близка к картине профиля излома, изображенного на рис. 6.

Если уменьшить разрешающую способность, то можно выделить области, в которых будут возникать значительные напряжения (рис. 12).



Рисунок 10 - Схема нагружения модели четвертого кривошипа коленчатого вала двигателя КамАЗ-740

Рисунок 11 - Результаты расчета напряженно-деформируемого состояния кривошипа



Рисунок 12 - Области значительных напряжений в кривошипе

Идентификация этих областей необходима для проведения исследований усталостных трещин при дефектовке коленчатого вала, как при эксплуатации, так и при ремонте. При этом были получены весьма удовлетворительные результаты, близкие к рассмотренным выше.

Все это делает доступным для прогнозирования и простой визуализации такое явление, как разрушение коленчатого вала. После наплавочной операции необходимо применение механической обработки поверхностей лезвийным инструментом.

Силовое взаимодействие режущего инструмента и обрабатываемой детали представлены на рис. 13.

Реакции опор при базировании в станке:

, (17)

где PZ - касательная составляющая силы резания;

, (18)

где l1 - расстояние от левой опоры до зоны резания; l - длина обрабатываемой детали.

Рисунок 13 - Схема нагружения коленчатого вала касательной составляющей силы резания при механической обработке

Максимальный изгибающий момент MPZ от касательной составляющей силы резания PZ:

(19)

Максимальный изгибающий момент M1Z от единичной силы:

. (20)

Максимальная деформация прогиба дZ от касательной составляющей силы резания:

, (21)

где E - модуль Юнга; J - момент инерции сечения детали.

4. Разработка и экспериментальное исследование технологических операций, от которых, в основном, зависит качество получаемого восстановленного крупногабаритного коленчатого вала

Здесь представлены результаты исследования повреждений коленчатых валов двигателей КамАЗ-740, носящие усталостный или износовый характер, по методикам, рассмотренным в главе 2.

Экспериментально установлено, что при наплавке коренных шеек коленчатого вала без предварительного подогрева детали можно выявить следующие закономерности: повышение температуры каждой последующей коренной шейки от наплавки предыдущей происходит на левых щеках в среднем на 12С, а на правых щеках в среднем на 7 С, что в конечном итоге не удовлетворяет рекомендациям по предварительному подогреву восстанавливаемого вала, так как температуры коренных шеек непосредственно перед наплавкой находятся в интервале от 21С до 83 С при необходимом диапазоне в 100…250 С.

При исследовании методом фотоупругости на прозрачных моделях хорошо визуализируются места концентрации напряжений. На модели четвертой шатунной шейки просматриваются места концентрации в сечении шейки: в зонах галтелей, в местах сопряжения со щеками, то есть в классически принятых местах концентрации сил (рис.14,а), что подтверждает верность выбранного метода. В зоне перекрытия наблюдается аналогичная картина (рис. 14,б). При нагружении образцов вследствие явления двойного лучепреломления, в проходящем свете на поверхности образца наблюдается интерференционная картина, идентичная полученной при расчете методом конечных элементов, а также реальной картине излома.

Для удобства исследования микротвердости для отдельных случаев была разработана система координат (рис. 15 и 16). По полученным графикам был сделан вывод о том, что имеются высокие «пики» микротвердости, возникающие от контраста температур самой шейки и наплавляемого метала. При приближении к зоне галтели величины «пиков» снижаются. В зоне галтели «пики» микротвердости отсутствуют, так как шейка вала на момент наплавки зоны галтели была уже подогрета. Выше галтели «пики» микротвердости также отсутствуют, так как шейка вала подогрета.

Рисунок 14 - Распределение напряжений в плоских прозрачных моделях, видимое в поляризованном свете: а - в модели кривошипа; б - в модели зоны перекрытия шеек

Рисунок 15 - Образец, вырезанный из шатунной шейки коленчатого вала двигателя КамАЗ-740



Рисунок 16 - Схема образца с линиями измерения и соответствующей им системой координат (x, y, ц)

Для коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 наплавка центральной части шейки порошковой проволокой марки ПП-Нп-35В9Х3СФ с последующим отпуском при 500 єС в течение 1 часа и наплавка галтелей проволокой сплошного сечения марки Нп-30ХГСА с предварительным подогревом детали до 200…230 єС позволяют получить распределение микротвердости по сечению, близкое к показателям новой детали или имеющей ремонтный размер в результате перешлифовки (рис. 17), а также к показателям современных технологий, применяемых за рубежом для восстановления коленчатых валов дизелей металлопокрытиями.

При анализе микрофотографий макро- и микроструктуры шлифа шатунной шейки коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 можно сказать: зона термического влияния имеет структуру сорбита с вкраплением б-железа, зона наплавленного металла - троостит (наплавка Нп-30ХГСА), а зона основного металла - сорбит.

Фазовый рентгеновский анализ образцов с наплавленными металлопокрытиями показал, что основа и металлы, наплавленные проволоками марок Св-08Г2С, Hп-З0ХГСА и Св-15ГСТЮЦА, являются б-железом и имеют кристаллическую решетку типа объемно-центрированного куба - ОЦК.

Наплавочный материал Св-08Х20Н9Г7Т представляет собой г-железо и имеет кристаллическую решетку типа гранецентрированного куба - ГЦК. Уровень микронапряжений кристаллитов исследуемых зон образцов с наплавленными металлопокрытиями был предварительно оценен по величине полуширины дифракционных максимумов на дифрактограммах.

Исследование напряжений второго рода позволило сделать следующие выводы: 1) при наплавке Св-08Г2С в зоне сплавления наблюдается высокий градиент изменения относительных микродеформаций, что говорит о наличии дефектов кристаллической структуры металла; 2) при наплавке Нп-30ХГСА изменение внутренних напряжений 2-го рода носит плавный характер, присущий как зоне наплавке, так и другим характерным зонам металла; 3) напряжения в образцах, наплавленных Св-08Х20Н9Г7Т имеют периодически плавно изменяющийся характер, что свидетельствует о наличиях незначительных дефектов в структуре металла; 4 - при наплавке Св-15ГСТЮЦА так же как и в случае с Св-08Г2С наблюдается высокий градиент изменения напряжений. Следовательно, наиболее благоприятными свойствами с точки зрения сопротивления развитию трещин обладают металлопокрытия, наплавленные Св-08Х20Н9Г7Т и Нп-30ХГСА.

Рисунок 17 - Распределение микротвердости: 1- вдоль радиуса рабочей поверхности ненаплавленной шейки; 2- вдоль радиуса галтели ненаплавленной шейки; 3-после наплавки рабочей поверхности шейки ПП-Нп-35В9Х3СФ и последующего отпуска при 500 єС в течение 1 ч; 4 - после наплавки Нп-30ХГСА на предварительно подогретую до 200…230 єС поверхность галтели

Исследование основных характеристик процесса резания при обработке наплавленных слоев точением (таблица 1) показало, что для снятия корки с наплавленных на тело слоев для всех рассмотренных в работе металлопокрытий целесообразно использовать резец с пластинкой из твердого сплава Т5К10. Корку снимать за один проход с глубиной резания t, учитывающей неровности припуска, на подаче So не более 0,25 мм/об и скорости V ? 70…80 м/мин. Подача в данном случае ограничивается прочностью пластинки твердого сплава, а скорость выбирается за границей наростообразования и интенсивного "схаватывания" на передней поверхности инструмента. Для предварительной обработки наплавленных слоев, когда выполняется основная работа резания при устойчивом точении без ударов, рекомендуется резец с пластинкой из твердого сплава Т15К6 с геометрическими параметрами и режимом резания, соответствующими положению об "оптимальной" температуре резания.

Таблица 1. Элементы режима и характеристики процесса резания

Элементы режима резания	Характеристики процесса резания
	08Г2С	30ХГСА	08Х20Н9Г7Т	15ГСТЮЦА
V, м/мин	So, мм/об	t, мм	Р, Н	и,С	Р, Н	и, С	Р, Н	и, С	Р, Н	и, С
80	0,13	0,1	80	745	83	775	95	792	104	807
80	0,13	0,7	564	923	586	939	653	960	728	980
80	0,13	1,3	1048	988	1089	999	1212	1021	1352	103
80	0,074	0,7	369	815	384	830	427	843	469	861
80	0,13	0,7	564	923	586	939	653	960	728	980
80	0,26	0,7	949	1076	986	1094	1098	1126	125	115
51	0,13	0,7	605	825	627	801	701	658	782	872
80	0,13	0,7	564	925	586	939	655	960	728	980
128	0,13	0,7	526	1038	546	1056	605	1080	675	1180

После обработки данных были получены зависимости, указывающие, что при обработке рассмотренных металлопокрытий резцом зависимости силы и температуры от элементов режима резания сохраняются теми же, что и при обработке пластичных конструкционных материалов на основе железа со сплошной однородной структурой. При прочих равных условиях величины силы и температуры определяются твердостью обрабатываемых слоев и их теплофизическими свойствами.

Влияние скорости резания на основные характеристики процесса точения исследуемых металлопокрытий формально можно описать общей зависимостью , где X - обозначение характеристики; Сх - коэффициент, учитывающий постоянные условия процесса; Yx - показатель степени при скорости резания.

Полученные экспериментальные данные после статистической обработки представлены в таблице 2.

Таблица 2. Экспериментальные данные после статистической обработки

Характеристики	08Г2С	30ХГСА	08Х2ОН9Г7Т	15ГСТЮЦА
	Сх	Yx	Сх	Yx	Сх	Yx	Сх	Yx
Температура резания, С	257	0,25	261	0,25	266	0,25	260	0,25
Сила резания, Н	231	-0,15	239	-0,15	268	-0,15	340	-0,17
Стойкость, мин	737	-0,7	860	-0,75	980	-0,8	623	-0,75
Шероховатость, мкм	4,54	-0,3	4,26	-0,3	4,67	-0,3	5,63	-0,4

Для окончательной обработки с соблюдением точности и шероховатости и для обеспечения максимальной размерной стойкости инструмента обработка указанных материалов должна вестись на параметрах t = 0,2 мм; So = 0,1 мм/об.

Таким образом, обоснованы температурные режимы, режимы обработки лезвийным инструментом и основные технологические операции при восстановлении крупногабаритных коленчатых валов дизельных двигателей.

5. Технико-экономический анализ разработанных технологических решений

Таблица 3. Технологический процесс восстановления

Номер п.п.	Наименование операции	Цель технологической операции
1	Моечная	Тщательная очистка коленчатого вала
2	Слесарная	Зачистка шеек перед дефектоскопией
3	Дефектовочная	1. Магнитная дефектоскопия; 2. Контроль-сортировка
4	Круглошлифовальная	Предварительная шлифовка с минимальным припуском или на 0,5 мм меньше последнего ремонтного размера
5	Слесарная	Удаление, если возможно, трещин
6	Дефектовочная	Контрольная магнитная дефектоскопия
7	Термическая	Предварительный подогрев шеек коленчатого вала до температуры от 100 єC до 250 єC
8	Наплавочная	Наплавка шеек вала (центральную часть шейки - порошковой проволокой марки ПП-Нп-35В9Х3СФ, галтели - проволокой сплошного сечения марки Нп-30ХГСА
9	Термическая	Отпуск при температуре 500 оС в течении 1 часа
10	Токарно-винторезная	Черновое точение шеек в пределах 0,5 мм до номинального размера
11	Слесарная	Вскрытие и зенкование масляных отверстий
12	Термическая	Нагрев коленчатого вала в пределах 340…400 єC
13	Прессовая	Правка вала в горячем состоянии
14	Дефектовочная	Магнитная дефектоскопия
15	Круглошлифовальная	1. Восстановление поверхности шлифовального круга к установленному заводом-изготовителем размеру радиуса галтели; 2. Чистовая шлифовка шеек коленчатого вала; 3. Полирование шеек коленчатого вала
16	Слесарная	Монтаж съемных противовесов, заглушек и других деталей
17	Балансировочная	Динамическая балансировка коленчатого вала
18	Дефектовочная	Окончательная магнитная дефектоскопия
19	Моечная	Мойка с продувкой маслоканалов
20	Контрольная	Контроль основных геометрических параметров коленчатого вала (диаметров коренных и шатунных шеек, величины биения центральной коренной шейки)
21	Упаковочная	Упаковка с консервацией

На основании принятых методик расчета экономической эффективности новых технологий за критерии экономической оценки принимались коэффициент относительной экономической эффективности КЭ и уточненная себестоимость Св восстановления шеек коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 по рекомендованному выше технологическому процессу. При этом выполнялось условие

, (22)

где Цнов - цена новой детали.

Расчетная себестоимость одного вала при программе 300 шт. валов в год составила: Св = 6776,49 руб.

Однако в условиях современной рыночной экономики возникают трудности в определении программы восстановления за год. При условии внедрения предлагаемого технологического процесса на предприятиях автомобильного транспорта можно определить коэффициент относительной экономической эффективности:

. ( 23)

Следовательно Отсюда годовой эффект Эг будет равен:

(руб.)

С учетом вышеизложенного можно сделать вывод о том, что при использовании предложенного технологического процесса стоимость восстановленного коленчатого вала будет значительно ниже стоимости нового при качестве, не уступающем новому крупногабаритному коленчатому валу.

Заключение

1. Анализ литературных источников свидетельствует о дефиците отечественного технологического обеспечения восстановления и ремонта крупногабаритных коленчатых валов дизельных двигателей. В мировой практике подобные технологии встречаются, причем принято использовать в качестве образца технологию Глисон-процесса, заключающуюся в нанесении металлопокрытий под слоем флюса последовательным применением двух различных проволок. Необходимость в технологическом обеспечении восстановления отечественных крупногабаритных коленчатых валов и обусловливает актуальность исследования.

2. На основании метода конечных элементов разработаны двумерные физическая и математическая модели кривошипа для определения внутренних напряжений. Получены расчетные результаты, подтверждающие статистику разрушения реальной детали в эксплуатации. Также предложена оригинальная модель кривошипа в виде стержневой системы, которая позволила рассчитать распределение внутренних усилий в зоне перекрытия шатунной и коренной шеек.

3. Разработано технологическое обеспечение для крупногабаритных коленчатых валов, причем основное внимание уделяется таким технологическим операциям как наплавка различными металлопокрытиями, предварительный подогрев и контроль за распределением температур при нанесении наплавочных металлопокрытий, обработка шеек вала лезвийным инструментом. Определены внутренние напряжения методом фотоупругости, анализ показал сходство реальных разрушений с результатами, полученными на физической и математической моделях.

4. Выполнен анализ микротвердости образцов, наплавленных различными материалами. Установлено по линиям аппроксимации, что имеется высокая микротвердость, возникающая от контраста температур самой шейки и наплавляемого метала, а в зоне галтели значения микротвердости снижаются, так как на момент наплавки галтель уже подогрета, что говорит о необходимости предварительного подогрева всей детали. При отсутствии последующей термообработки в зоне сплавления наблюдается высокая твердость, это является неприемлемым для дальнейшей эксплуатации детали, но отпуск после наплавки полностью ликвидирует повышенную твердость. При этом оптимальная микротвердость с позиций эксплуатации наблюдалась при наплавке центральной части шейки коленчатого вала порошковой проволокой марки ПП-Нп-35В9Х3СФ с последующим отпуском при 500 єС в течение 1 часа и наплавке галтелей проволокой сплошного сечения марки Нп-30ХГСА с предварительным подогревом детали до 200…230 єС.

5. Выявлены особенности макро- и микроструктуры различных металлопокрытий, проведен рентгенографический анализ, проанализированы внутренние напряжения второго рода, определены периоды кристаллических решеток, а также основные характеристики резания при обработке наплавленных слоев. Фазовый рентгеновский анализ образцов с наплавленными металлопокрытиями показал, что основа и металл, наплавленный проволоками марок Св-08Г2С, Hп-З0ХГСА и Св-15ГСТЮЦА, являются б-железом и имеют структуру типа объемно-центрированного куба - ОЦК. Металл, наплавленный Св-08Х20Н9Г7Т, представляет собой г-железо и имеет структуру типа гранецентрированного куба - ГЦК.

6. Обоснованы основные характеристики процесса резания при обработке наплавленных слоев точением. Для снятия корки с наплавленных на тело металлопокрытий целесообразно использовать резец с пластинкой из твердого сплава Т5К10. Корку снимать за один проход с глубиной резания t, учитывающей неровности припуска, на подаче So не более 0,25 мм/об и скорости V ? 70…80 м/мин. Для окончательной обработки с соблюдением точности и шероховатости и для обеспечения максимальной размерной стойкости инструмента обработка должна вестись на параметрах t = 0,2 мм; So = 0,1 мм/об.

7. Предложено аналитическое и экономическое обоснование комплекса технологических операций, необходимых и достаточных для достижения высокого качества восстановленных коленчатых валов, не уступающих новым валам, а также конкурентоспособным по своим характеристикам, как на внутреннем, так и на зарубежном рынках. Статистический анализ ресурса восстановленных и новых коленчатых валов в общем количестве 160 шт., показал, что общий вторичный ресурс - 80,6% от первичного ресурса крупногабаритных валов. Расчетный годовой экономический эффект составил около 16 млн. руб. при программе восстановления 300 коленчатых валов в год. Коэффициент относительной экономической эффективности при этом 8,85, что указывает на целесообразность применяемого технологического процесса.

Литература

1. Технологическое обеспечение качества восстановленных коленчатых валов дизельных двигателей / А.С.Денисов, В.В. Погораздов, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 4 (49). C. 49-54.

2. Теоретический анализ изменения напряженно-деформированного состояния коленчатого вала в процессе эксплуатации / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина, А.А. Видинеев // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2010. № 9. С.47-51.

3. Анализ значимости процессов, определяющих ресурс коленчатого вала двигателя / А.С. Денисов, Б.Ф. Тугушев, А.А. Видинеев, Е.Ю. Горшенина, О.А Кулаков, В.П. Захаров //Автотранспортное предприятие. 2010. № 5. С. 53-56.

4. Обеспечение эксплуатационных свойств коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 при ремонте и восстановлении / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, В.В. Погораздов, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина, А.А. Видинеев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 3 (41). Вып. 2. С. 74-78.

5. Оценка напряженно-деформированного состояния коленчатого вала автотракторного двигателя / А.С.Денисов, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 3 (46). Вып.1.С.30-38.

6. Анализ эксплуатационных дефектов коленчатого вала двигателя КамАЗ - 740 / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина, А.А. Видинеев // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2010. № 6. С. 30-38.

7. Анализ результатов экспериментального исследования изменения напряженно-деформированного состояния коленчатого вала в процессе эксплуатации / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю.Горшенина, А.А. Видинеев // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2011. № 1. С.28-33.

8. Горшенина Е.Ю. Исследование особенностей наплавки коленчатых валов / Е.Ю. Горшенина, Б.Ф. Тугушев // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: сб.науч. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 2007. С. 57-62.

9. Горшенина Е.Ю. Современные технологии восстановления коленчатых валов / Е.Ю. Горшенина, Б.Ф. Тугушев // Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности: сб. науч. тр. по МНПК / Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 2007. С. 233-237.

10. Горшенина Е.Ю. Моделирование разрушения коленчатого вала методом конечных элементов / Е.Ю. Горшенина, Б.Ф. Тугушев // Математические методы в технике и технологиях: сб. науч. тр. XXI МНК / Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 2009. С. 114-116.

11. Горшенина Е.Ю. Исследование распределения температур в реальном технологическом процессе наплавки коленчатого вала / Е.Ю. Горшенина, Б.Ф. Тугушев // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: сб. науч. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 2008. С. 39-46.

12. Горшенина Е.Ю. Теоретическое и экспериментальное исследование разрушения наплавленного коленчатого вала в эксплуатации / Е.Ю. Горшенина, Б.Ф. Тугушев // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: сб. науч. трудов / Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 2008. С. 60-67.

13. Горшенина Е.Ю. Исследование микротвердости металла коленчатого вала двигателя КамАЗ - 740, наплавленного порошковой проволокой Нп-35В9ХЗСФ, с различными видами последующей термической обработки / Е.Ю. Горшенина, Б.Ф. Тугушев // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: материалы Межгосударственного науч.-техн. семинара, 21, 22 мая 2008 г. Вып. 21 / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». Саратов, 2009. С. 63-66.

14. Горшенина Е.Ю. Совершенствование технологии восстановления коленчатых валов дизельных двигателей / Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина // НАУКА 21 ВЕК. 2010. № 4 (ноябрь 2010). С. 19-27.

Размещено на Allbest.ru

...