Восстановление гильз цилиндров дизельных двигателей сельскохозяйственной техники термопластическим деформированием в матрице

Размещено на http://www.allbest.ru/

Всероссийский научно-исследовательский институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ)

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ В МАТРИЦЕ

Специальность 05.20.03 - Технология и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

КОСТЮКОВ Александр Юрьевич

Москва 2006

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГНУ ГОСНИТИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Лялякин Валентин Павлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Астахов Михаил Владимирович

кандидат технических наук Денисов Вячеслав Александрович

Ведущая организация: Институт механики и энергетики Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва

Защита диссертации состоится «16_ » __февраля_2007г. в 10_час. На заседании диссертационного совета Д 006.034.01 при ГНУ ГОСНИТИ по адресу: 109428, Москва, 1-й Институтский проезд, д.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ГОСНИТИ по адресу: 109428, Москва, 1-й Институтский проезд, д.1

Автореферат разослан «10_» января 2006г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук Соловьев Р.Ю

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ресурс двигателя, в первую очередь, зависит от износостойкости деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ), которые при капитальном ремонте двигателя заменяются на новые или восстановленные.

Основным способом восстановления изношенных гильз цилиндров является расточка под ремонтный размер, что влечет за собой снижение твердости внутренней поверхности и необходимость организации производства поршней и поршневых колец ремонтного размера. Способы восстановления гильз цилиндров в номинальный размер не нашли широкого применения из-за того, что не соответствуют требованиям стандарта по качеству и имеют высокую себестоимость.

В связи с этим, разработка метода восстановления гильз цилиндров в номинальный размер, отвечающих требованиям стандартов, является актуальной задачей ремонтного производства.

Целью исследований является разработка и внедрение в ремонтное производство новой технологии восстановления гильз цилиндров дизельных двигателей способом термопластической деформации (ТПД), обеспечивающая 100 процентный послеремонтный ресурс.

Объекты исследования это гильзы цилиндров, наиболее распространенных в сельском хозяйстве дизелей, СМД-14, Д-50, А-41, КамАЗ-740, СМД-60.

Предметом исследования являются значения напряженно-деформированного состояния, количественные показатели физико-механических свойств восстанавливаемых гильз цилиндров в процессе воздействия на них переменного градиента температуры, как по радиусу, так и вдоль оси, а также воздействия жесткой охлаждаемой матрицы.

Методы исследования. Процесс ТПД в матрице рассматривали на основе механики деформируемого твердого тела. Экспериментальные исследования проводили с применением теории планирования экспериментов, с использованием современных приборов и оборудования, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей механизма обжатия изношенных гильз цилиндров методом ТПД в матрице из различных марок чугунов, в том числе закаленных гильз цилиндров КамАЗ-740 и СМД-60, а также в разработке установки ТПД, позволяющей восстанавливать широкую номенклатуру гильз цилиндров автотракторных двигателей на номинальный размер.

Научная новизна работы подтверждена Патентом Р.Ф.№ 2181649 «Способ восстановления закаленных гильз цилиндров Б.И. №12, 27.04.2002 и Патентом Р.Ф.№2182932 «Установка для термической обработки полых цилиндрических изделий»

Практическая ценность работы. Оптимизированы параметры технологических процессов восстановления внутренних и наружных цилиндрических поверхностей гильз цилиндров ТПД в матрице. На основе полученных результатов разработан новый технологический процесс и установка для восстановления на номинальный размер гильз цилиндров методом ТПД в матрице, обеспечивающие 100 процентный послеремонтный ресурс. гильза двигатель термопластический чугун

Реализация результатов исследования. Результаты выполненных исследований внедрены на предприятиях «Щекиноагросервис» г.Щекино, Тульской области и АО «Выгоничиагроремонт» п.Выгоничи, Брянской области при восстановлении гильз двигателя цилиндров ТПД в матрице в виде технологии и оборудования для ее осуществления с экономическим эффектом около 300 тыс. руб. ( в ценах 2005г.)

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на:

-научно-технических советах и конференциях ВНИИТУВИД «Ремдеталь», г. Москва 1991-2003г.

- научно-технических конференциях ГОСНИТИ в г. Москва, 1991-1993 г;

- международной научно-практической конференции "Состояние и перспективы восстановления, упрочнения и изготовления деталей" г. Москва 1999 г;

- международной научно-практической конференции «Инженерно техническое обеспечение АПК и машино-технологические станции в условиях реформирования» г. Орел, 2000г;

- международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию МГАУ, г. Москва 2000г.

- заседании кафедры ремонта и надежности машин МГАУ имени В.П. Горячкина, г Москва, 2001 г

- Научно-техническом семинаре « Восстановление и упрочнение деталей - современный высокоэффективный способ повышения надежности машин» г. Москва, 2003г.

- заседании кафедры технического сервиса, института механики и энергетики МГУ им. Н.П. Огарева, г. Саранск, 2006г.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 12 печатных работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений, изложена на 237 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 30 таблиц, библиографию из 92 наименований, 3 приложения.

На защиту выносятся:

- закономерности механизма обжатия изношенных гильз цилиндров дизелей, которые протекают при различных режимах и способах ТПД в матрице;

-результаты экспериментальных оценок напряженно-деформиро-ванного состояния, физико-механических и эксплуатационных свойств гильз цилиндров, обжатых ТПД в матрице;

- новая технология восстановления гильз цилиндров дизельных двигателей на номинальный размер термопластической деформацией в матрице, обеспечивающая 100 процентный послеремонтный ресурс, новизна которой защищена патентами Российской Федерации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы.

В первой главе изучено состояние вопроса, поставлена цель и определены задачи исследования. Установлено, что основным дефектом гильз цилиндров, отработавших межремонтный ресурс, является износ внутренней поверхности. Износ внутренней поверхности гильзы является сложным трехступенчатым процессом, включающим в себя адгезию, коррозию и абразивный износ. Трещины, сколы, забоины и задиры гильз являются результатом неправильной сборки или разборки двигателей, хранения или транспортировки ремфонда, а также аварийным состоянием ЦПГ. Такие гильзы 100% бракуются. Наибольший износ гильзы, как правило, находится в сечении, соответствующем положению верхнего компрессионного кольца в мертвой точке и является определяющим с точки зрения ремонтопригодности.

Геометрические параметры и химический состав гильз цилиндров автотракторных двигателей по химическому составу и размерам гильзы незначительно отличаются друг от друга и представляют собой тонкостенные полые цилиндры переменного сечения. Относительная толщина стенки гильзы

в = (D - d)/ D ?0,1…0,14, (1.)

где D и d - соответственно наружный и внутренний диаметры гильзы цилиндров.

В настоящее время разработано несколько способов восстановления и упрочнения внутренней поверхности гильз цилиндров автотракторных двигателей, которые по своей технологии делятся на расточку под ремонтный размер и восстановление до номинального размера. Для восстановления гильз цилиндров в номинальной размер применяются такие способы: металлизация, гальванические способы, запрессовка износостойких пластин, наплавка на внутреннюю поверхность износостойких порошков, восстановление нагревом и т.д.

Основными характерными недостатками приведенных выше способов, в следствии которых они не получили широкого распространения в ремонтном производстве, являются:

металлизация - низкая адгезионная прочность, использование дорогих материалов, сложность мехобработки и высокий уровень шума;

осталивание - низкая износостойкость, сложность мехобработки, высокая трудоемкость;

хромирование - низкая производительность, высокая стоимость процесса, недостаточная смачиваемость и прирабатываемость поверхности;

пластинирование - высокая степень точности всех операций, повышенный износ поршневых колец и угар масла, нарушение теплообмена в стенках гильзы;

центробежное напекание - значительные деформации, высокая стоимость материалов, сложность мехобработки.

Кроме того, практически все эти способы оказывают неблагоприятное влияние на экологию.

Исследования и сравнительные испытания, проведенные во ВНИИТУВИД «Ремдеталь», в Хабаровском ГТУ и других организациях, показали, а практика ремонтного производства подтвердила, что из известных способов восстановления гильз цилиндров автотракторных двигателей наиболее перспективным является способ ТПД. Преимуществами этого способа являются: простота технологии, сохранение первоначальных триботехнических условий для сопряжения гильза - поршневое кольцо, минимальный припуск на мехобработку, высокая производительность и экологическая чистота процесса. Но данный способ требует дополнительных исследований в части управляемости процесса обжатия, получения требуемой усадки за один проход и повышение износостойкости до уровня новой гильзы цилиндров.

Все способы можно разделить на два типа: ТПД гильз в жесткой охлаждаемой матрице (рисунок 1. г, д) и без матрицы, (рисунок 1. а, б, в). Сравнивая способы обжатия гильзы без матрицы, видим, что они отличаются друг от друга взаимным расположением индуктора и охлаждающего спрейера относительно гильзы. Обжатие гильзы происходит при непрерывно-последовательном быстром нагреве и охлаждении локального кольца всего ее участка, в результате действия высокого подвижного градиента температуры (ГТ). Взаимное расположение и движение индуктора и спрейера относительно восстанавливаемой гильзы непосредственно влияют на величину деформации и коробления детали, изменение ее микроструктуры, твердости поверхности, характера и значения остаточных напряжений, образование трещин, производительность процесса и себестоимость восстановления. К общим недостаткам способов ТПД без матрицы следует отнести высокие знакопеременные напряжения, возникающие при нагреве - охлаждении, которые способствуют трещинообразованию, и остаточные напряжения, вызывающие деформацию гильзы. Каждый из этих способов имеет свои конструктивные преимущества и недостатки, но способ обжатия гильзы в матрице имеет значительные преимущества по сравнению со способами восстановления гильз без матрицы, в том числе:

- достигается наибольшая усадка гильз за один цикл Ur = 07…1,1мм;

- отсутствие значительных остаточных напряжений, короблений и трещин;

- высокая точность геометрии внутренней поверхности гильзы (отклонение от цилиндричности не более 0,1мм;)

а) б) в)

Без матрицы, а) - индуктор и спрейер расположены снаружи гильзы, б) - индуктор и спрейер расположены внутри гильзы, в) - индуктор расположен снаружи, а спрейер внутри гильзы: 1 - гильза цилиндра, 2 - индуктор, 3 - спрейер, 4 - центрирующая оправка.

г) д)

В охлаждаемой матрице, г) - незакаливаемых гильз из легированного чугуна д) - закаливаемых гильз: 1 - гильза цилиндра, 2 - индуктор, 3 - спрейер охлаждающий, 4 - матрица, 5 - спрейер закалочный.

Рисунок 1 Схемы способов восстановления внутренней цилиндрической поверхности гильз цилиндров термопластическим деформированием (ТПД)

Для восстановления легированных гильз цилиндров предложенный способ осуществлялся по схеме, представленной на рисунке 1.г. Гильза при нагревании свободно расширяется до контакта с матрицей, при дальнейшем нагревании матрица препятствует свободному расширению материала гильзы, что приводит к её пластической деформации, т.е. перераспределению металла внутрь, по толщине стенки. После процесса ТПД величина остаточной деформации гильзы компенсирует их износ, возникающее коробление гильзы и припуск на механическую обработку.

При ТПД процесс уменьшения внутреннего диаметра происходит за счет пластической деформации материала гильзы. С целью равномерного нагрева гильзы по диаметру и высоте в процессе обжатия необходимо предусмотреть вращение и продольное перемещение гильзы.

Основными параметрами режима восстановления являются: температура нагрева, скорость нагрева, скорость охлаждения, скорость вращения детали, зазор между матрицей и деталью и некоторые другие, которые оказывают существенное влияние на процесс пластической деформации, а следовательно, и на величину уменьшения внутреннего диаметра гильзы.

Температура нагрева, скорость нагрева и скорость охлаждения так же определяют структуру металла восстановленной гильзы. При восстановлении закаленных гильз цилиндров типа СМД-60 необходимо одновременно решить три взаимосвязанные задачи: получить необходимую усадку, закаленную поверхность HRC_э 40…42 и бездефектную внутреннюю поверхность (трещины не допускаются). Усадка определяется пластичностью металла, а твердость его хрупкостью, быстрый нагрев и охлаждение детали вызывают возникновение высоких напряжений, которые приводят к образованию трещин. Для решения задачи ТПД закаленных гильз предложен комбинированный способ восстановления гильз цилиндров, рис.1д.

Исходя из проведенного анализа литературных данных и статистической обработки износов гильз цилиндров, в работе поставлены следующие задачи исследований:

Провести анализ существующих способов восстановления, определить потребности и объёмы восстановления гильз цилиндров.

Изучить характер и величину износа гильз цилиндров дизелей сельскохозяйственного назначения.

Исследовать напряженно-деформированное состояние и определить режимы восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров ТПД.

Исследовать физико-механические и эксплуатационные свойства гильз цилиндров дизелей восстановленных ТПД в матрице;

Исследовать свойства покрытий, и отработать режимы восстановления наружных посадочных поясков гильз цилиндров различными способами.

Провести лабораторные и эксплуатационные испытания гильз цилиндров восстановленных ТПД в матрице;

Разработать техническое задание на проектирование установки способом ТПД в матрице.

Вторая глава содержит программу и методику экспериментальных исследований. Предметом исследования являются числовые значения напряженно-деформированного состояния, количественные показатели физико-механических и эксплуатационных свойств восстанавливаемых гильз цилиндров в процессе воздействия на них переменного градиента температуры как по радиусу, так и вдоль оси, а также воздействия жесткой охлаждаемой матрицы.

Исследования величин и характера износов рабочих поверхностей проводились путём микрометрирования с последующей статистической обработкой данных микрометража. Изношенные гильзы цилиндров измерялись на ремонтных предприятиях, в дальнейшем эти данные использовались для определения границ применяемости разрабатываемого способа восстановления.

Исследования процесса ТПД проводили с применением ТВЧ марки ВЧИ-1-60/0,066 на установке, предназначенной для термопластической деформации гильз цилиндров.

Величина усадки гильзы определялась микрометражом внутреннего диаметра до и после термопластического обжатия в двух плоскостях и 4-х сечениях. За среднюю величину усадки U_r принималось среднее арифметическое значение полученных результатов по всем четырем сечениям.

U_r = d_i / n (2.)

где: d - среднее значение усадки в сечении гильзы, мм;

n =8 - число измерений усадки.

Исследования по оптимизации всех параметров, влияющих на процесс ТПД, определены экспериментально и уточнены при помощи теории планирования многофакторного эксперимента. Изменение температуры нагрева осуществлялось варьированием скорости перемещения гильзы относительно индуктора. Скорость нагрева регулировалась изменением подводимой мощности установки Q = 0,3…4,0 х 10 Вт/м10²; Скорость охлаждения регулировалась путем изменения расхода воды через спрейеры в единицу времени. Частота вращения и скорость перемещения гильзы определялись расчетным путем. Измерение твердости внутренней поверхности гильз цилиндров проводилось на приборе 2018ТР.

Исследование температурного поля гильзы во время ТПД выполняли с помощью хромель-алюмелевых термопар, устанавливаемых в гильзе. Сигнал от термопар регистрировался с помощью светолучевого осциллографа

Н-117/1. Для исследования остаточных напряжений в гильзе, восстановленной ТПД, вырезались кольцевые образцы. Остаточные напряжения первого рода на кольцевых образцах определялись методом последовательного удаления слоев. Относительные деформации определялись с помощью тензорезисторов. Микроструктура гильзы, восстановленной ТПД, исследовалась на микроскопе МИМ-8 при увеличении в 100 и 500 раз.

Ускоренные испытания двигателей проведены на стенде КИ- 5274 с искусственным введением в него элементоорганической присадки АЛП-4Д(ТУ38.101369-73) к топливу с концентрацией 2% (по весу).

Полевые эксплуатационные сравнительные испытания проводились в хозяйствах Калужской области.

Износостойкость гильз в процессе эксплуатации оценивалась отношением изменения линейных размеров (до и после испытаний ) внутренней поверхности гильз восстановленных к новым гильзам.

Для получения достоверных результатов восстановления гильз цилиндров ТПД в матрице определялась партия деталей, достаточная для проведения исследований при заданной величине доверительной вероятности ₀= 0,95 и относительной ошибке = 10 %.

В третьей главе рассмотрены процессы, происходящие в гильзе при ТПД. Сущность ТПД заключается в том, что при быстром индукционном нагреве деталей типа «полый цилиндр» создается градиент температуры (ГТ), который, деформируя деталь, вызывает ее остаточную деформацию (усадку), достаточную для компенсации износа поверхности и дальнейшей механической обработки. При этом, в одном технологическом цикле, в различной последовательности, выполняются операции нагрева, деформации и охлаждения детали. Кроме того, на пластическую деформацию оказывают влияние внешние силы(охлаждаемая жесткая матрица) и внутренние (холодные слои металла вокруг локально нагретого кольца части гильзы) ограничители, рисунок 2.. Поэтому, чтобы получить необходимую усадку гильзы без матрицы, на практике применяют многократное повторение циклов. Использование высоких градиентов температур при восстановлении деталей способом ТПД создает предпосылки возникновения и развития трещин.

Применение внешних механических ограничителей (матрицы) способствует их «залечиванию».

Рисунок 2 Схема изменения линейных размеров сечения образца гильзы при ТПД в матрице: - D,d и D d соответственно наружный и внутренний диаметр гильзы до и после ТПД

Исходя из равенства объемов до и после ТПД

dl = Dl (3)

где = d - d и = D - D - теоретическая усадка внутреннего и наружного диаметров после ТПД,

l = l - длина детали принятая нами по предположению неизменной.

при условии l = l

Величина возможной деформации гильзы при ТПД составляет:

D = D / (1+Т) - S (4)

За оценочный параметр усадки гильзы после ТПД принимаем относительное изменение внутреннего диаметра гильзы

= (d - d) / d = / d (5)

Преобразуя формулу (5), получаем:

= D/ d² = D²[1-1/ (1+Т)] / [D(1 - в)]² = [1-1 / (1+Т)] /(1- в)² (6)

где - коэффициент линейного расширения материала детали;

Т - разность температур нагретой и охлажденной детали;

= Т(1- в)² k -S (7)

k - коэффициент остаточной деформации, учитывающий сдерживание процесса деформации холодными частями гильзы.

S- зазор между матрицей и гильзой.

Из полученной математической зависимости следует, что относительная усадка внутреннего диаметра гильзы не зависит от его размера d и определяется коэффициентом в относительной толщины стенки гильзы, коэффициентом линейного расширения материала гильзы и разностью температур нагретой гильзы и охлажденной гильзы.

При термической обработке серого чугуна с тонкопластинчатой перлитной основой (как и эвтектоидной стали) температура нагрева повышается незначительно выше Ас₁, поэтому рост зерна аустенита будет также незначительным. К концу нагрева аустенит будет мелкозернистым. Кроме того, при быстром нагреве, в результате перекристализации, происходит дополнительное измельчение зерна, поэтому при восстановлении деталей ТПД высокоуглеродистых сплавов легко получить структуру безигольчатого мартенсита.

Различают несколько видов сверхпластичности: мелкозернистая, субкритическая, мартенситная и рекристализационная. В реальных технологических процессах восстановления деталей ТПД наблюдаются явления субкритической и мартенситной сверхпластичности.

Влияние сверхпластичности на величину остаточных напряжений заключается в неравномерной пластической деформации различных слоев детали, обусловленной ГТ при нагреве и охлаждении. В первую очередь, деформируются те слои детали, в которых начинаются фазовые превращения. После охлаждения, благодаря сжатию внутренних слоев и деформации внешних слоев детали, возникают остаточные напряжения.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований технологии восстановления гильз цилиндров ТПД в матрице.

Исследования изменений величины и формы усадки гильз цилиндров от температуры нагрева. Исследования проводились в пределах от 700 до 950^оС, с интервалом 50^оС, при скорости нагрева V_т = 70^оС/с и зазоре между матрицей и образцом S_о = 0,1 мм;. Скорость охлаждения матрицы характеризовалась расходом воды через спрейер в единицу времени. Для охлаждения матрицы расход составлял 70 л/мин., для закалки - 20 л/мин.

Проведенные исследования показывают, что наибольший коэффициент усадки принадлежит интервалу нагрева 800...850^оС. Это объясняется тем, что при индукционном нагреве в первоначальный период, пока деталь “холодная” (в интервале до 700^оС), усадка происходит, в основном, за счет градиента температуры (скорости нагрева) и незначительно - за счет температуры. Далее, когда ток проникает в тело детали и увеличивается толщина нагретого слоя до 800...850^оС, то на величину усадки оказывает совместное действие температура и градиент температуры. При нагреве гильзы свыше 850^о влияние градиента температуры по сечению гильзы снижается, и усадка определяется, в значительной степени, только температурой нагрева.

На графике рис.3, видно, что при увеличении температуры нагрева происходит резкое увеличение овальности и конусообразности гильзы, которые достигают при 950^оС 0,15 и 0,17 мм соответственно. Наилучшие результаты получены при температуре нагрева 850^оС. При этой температуре достигается необходимая для последующей механической обработки усадка и допускаемое отклонение формы отверстия гильзы, что обеспечивает ее восстановление с износом до 0,5 мм. включительно.

Из графиков(рис. 3.) видно, что с увеличением скорости нагрева средняя величина усадки растет. При этом, чем выше скорость нагрева, тем больше темп роста. Так, на участке от 30 до 50^оС/с коэффициент усадки К_у = 0.003, а на участке от 50 до 70^оС/с - К_у = 0,0095, что в 3 раза больше.

Овальность и конусообразность гильзы также растет с увеличением скорости нагрева, но незначительно и изменяется на всем интервале от 0,04

до 0,09 мм. Увеличение скорости нагрева свыше 80^оС/с нецелесообразно, т.к. установка ТВЧ работает на максимальной мощности.

10-3, м						Ur 10-3
1,0			1
		усадка
0,8
			2
0,6
0,4						0,16
			3
			4
	5	овальность,			0,012
		конусность
						0,08
				6
						0,04

600 750 800 850 900 и ^оС

температура, при V_и = 70 ^оС/с

30 40 50 60 70 V_и

скорость нагрева, при и = 850 ^оС

Рисунок 3 Зависимость изменения величены и формы (овальность и конусность) усадки гильзы от температуры и скорости нагрева

1. - усадка от температура нагрева и_r; 2. -усадка от скорости нагрева V_и; 3. - конусообразность от и при V_и = 70^оС/с; 4. - овальность от и при V_и = 70^оС/с; 5. - конусообразность от и при V_и = 850 ^оС; 6. - овальность от и при V_и = 850 ^оС.

Влияние матрицы на процесс ТПД приведено на рисунке 4. На половине меридиального сечения гильзы схематично показаны два способа восстановления гильзы и приведены их технологические параметры.

В обоих случаях гильза нагревается непрерывно - последовательным способом, путем нагрева локальной ее части (область Q). При этом необходимо отметить следующее:

			1		1
			Ur	и	Ur
3
							ho
							hr
4								н
			R		r

Рисунок 4 Сечение гильзы при ТПД

а) в жесткой охлаждаемой матрице; б) без матрицы, путем создания подвижного градиента температуры: 1 - гильза цилиндров; 2 - индуктор; 3 - спрейер; 4 - матрица; Дr_о; h_o - глубина и высота нагрева; V_r - скорость перемещения гильзы; и - мощность источника теплоты; h_r - расстояние между индуктором и спрейером; Н, R, r - геометрические параметры гильзы; Ur - радиальная усадка гильзы; n - частота вращения гильзы.

- ?r _и - глубина нагрева косвенно характеризуется частотой переменного тока и временем предварительной выдержки прогрева при восстановлении гильзы в матрице;

- ?r _имакс = R-r, что соответствует сквозному прогреву на всю толщину гильзы;

- h _и и h_r - высота кольцевого индуктора и расстояния от нижнего его торца до центра отверстий закалочного спрейера;

- индуктор неподвижен, гильза относительно индуктора имеет вертикальное поступательное и вращательное движения.

Исследованиями установлено:

- при одних и тех же значениях мощности источника тепла (и) и высоты индуктора (h _и) радиальная усадка (Ur) увеличивается с увеличением глубины прогрева (?r _и) и имеет наибольшее значение при сквозном прогреве гильзы, то есть при д₁=?r _и/(R-r)=1 радиальная усадка достигает своего максимального значения, до U_{r max}=1,1 мм;

- радиальная усадка (Ur) зависит от высоты (h _и) индуктирующего кольца. Максимальное значение получается при д₁=h _и/Н=0,25.

при условии постоянного нагрева гильзы до температуры Т _{и макс}=850⁰С наибольшая усадка U_r.max достигается при скорости нагрева V_r=70⁰C/с ;

при величине скорости нагрева V_r = 40…80⁰С/с (или V_r = 1 - 2мм/с) усадка увеличивается с 0,4мм до 0,8мм.

постоянная максимальная температура нагрева гильзы Т _{и макс}=850⁰С обеспечивается увеличением мощности источника тока и = 0,37х10⁹ - 1,37х10⁹ Вт/м³;

при постоянной мощности источника тока и = 1,37х10⁹ Вт/м³, радиальная усадка (U_r) зависит от температуры нагрева Т _и; чем больше температура нагрева, тем больше усадка гильзы. Однако нагревать гильзу более 900⁰С нецелесообразно, т.к. происходят значительные структурные изменения ее металлической основы;

с увеличением скорости охлаждения величина усадки увеличивается в следствие меньшего теплового расширения матрицы;

твердость, глубина закаленного слоя и структура материала находятся в такой же зависимости, что и радиальная усадка гильзы, т.е. твердость и глубина закаленного слоя будет тем больше, чем выше температура, скорость нагрева и охлаждения детали.

Основными параметрами оптимизации при проведении экспериментов являлись :

величина диаметральной усадки Ur,10^-3 мм ;

твердость внутренней поверхности, HRC ;

бездефектность материала гильзы ( отсутствие трещин после ТПД гильзы);

- структурные изменения материала.

Для оптимизации выбранных режимов проводился многофакторный эксперимент типа У=2³ ;

За независимые переменные при проведении опытов приняты:

- температура нагрева - _r^оС

- скорость нагрева - V, ^оС/c.

скорость охлаждения -V л/мин.

Анализируя результаты экспериментов и учитывая выше сказанное, оптимальными режимами ТПД необходимо принимать средние режимы, обеспечивающие надежную эксплуатацию оборудования, экономию электроэнергии и др.

Таким образом выбраны следующие режимы ТПД при восстановлении гильз цилиндров.

Таблица 1

Режимы восстановления гильз цилиндров

Гильзы цилиндров	легированные	закаленные
Параметры	без предварительного подогрева	с предварительн. нагревом
Температура нагрева, С	840…860	840…860	800… 820
Скорость нагрева, град./с	70…80	70… 80	50…60
Расход воды для матрицы,л/м	60…70	60…70	70 ..80
Расход воды для спрейера, л/м	-	20	20 …25
Скорость относительного пе-ремещения гильзы и индуктора,мм/с	1,7…2,0	1,7….2,0	3,0…3,5 2,0… 2.5(р.х.)
Частота вращения, мин-1	26	26	26

Проведенные исследования показали, что при быстром нагреве до 850 ⁰С структура металлической основы находится в пределах требований ГОСТа 3443-77. Анализ микроструктуры показывает, что при нагреве до 950⁰С, хотя структура и находится в пределах требований ГОСТа, но заметны изменения формы, количества и характера распределения свободно выделившегося графита. Пластины стали более прямолинейны, что ухудшает механические свойства чугуна, как по износостойкости, так и по прочности.

Проведенные металлографические исследования гильз цилиндров Д-50 и КамАЗ-740 показали, что изношенные и восстановленные гильзы (нагрев до 850 ⁰С, скорость нагрева 70 ⁰С ? сек.) имеют практически одинаковую структуру, металлическая основа состоит из перлита, феррита, фосфидной эвтектики и включения графита.. Таким образом, установлено, что быстрый нагрев до 850⁰С не вносит заметных изменений в структуру чугуна и соответствует требованиям ГОСТа 3443-78, а следовательно, и не ухудшает триботехнические условия работы сопряжения гильза - кольцо.

Исследованием установлено, что при пластической деформации в деталях возникают остаточные внутренние напряжения, которые при определённых условиях могут повлиять на геометрические параметры, следовательно на долговечность этих деталей.

На рисунке 4. показаны кривые распределения напряжений по сечению исследованных образцов. В исследованных образцах значения внутренних тангенциальных и радиальных напряжений по всем сечениям ниже предела текучести данного материала (_т=420..670 МПа).

Максимальные тангенциальные и радиальные напряжения в эталонных образцах имеют значение соответственно +240 МПа и +1,4 МПа; в образцах из восстановленных гильз соответственно +210 МПа и +1,5 МПа.

В связи с тем, что «усадка» гильзы при способе ТПД в матрице происходит как по внутренней, так и по наружной поверхности, возникает необходимость нанесения компенсационного покрытия на посадочные пояски. В результате измерений восстановленных гильз, средняя усадка наружных посадочных поясков составила 0,5…0,6 мм. на диаметр при овальности 0,05…0,1мм., удлинение гильзы составило 0,2…0,35 мм.

При выборе покрытия, компенсирующего усадку и износ, учитывалось следующее: покрытие толщиной 0,5…0,6 мм должно иметь достаточную прочность сцепления с поверхностью гильзы в условиях механических, тепловых нагрузок, долговременной эксплуатации двигателя. Этим условиям, в наиболее полном объеме, удовлетворяет способ электродуговой металлизации. Металлизация поясков осуществлялась серийным модернизированным электрометаллизатором ЭМ-12М с источником питания ПСГ-500. Для металлизации использовали алюминиевую проволоку марки АД-1 или А-5 диаметром 1,2…2,0 мм, а также сварочную проволоку Св-0,8.

Режимы металлизации: марка металла - АД-1 ? 1,2 мм; дистанция напыления, мм-130; частота вращения, мин^-1 - 15; скорость продольной подачи металлизатора, мм/об - 6; давление сжатого воздуха, МПа · 10⁵ - 0,45…0,55; диаметр воздушного сопла, мм - 8; диаметр проволоки, мм - 2; скорость подачи проволоки, м/мин - 5,4; интервал напряжений, В - 27…30; сварочный ток, А - 250…270; расход проволоки, кг/ч - 6,2.

Проведенные лабораторные и эксплуатационные сравнительные испытания восстановленных гильз способом ТПД в матрице и новых гильз показали, что износостойкость восстановленных гильз на уровне новых.

Эксплуатационные испытания 16 двигателей, в которых были попарно установлены новые и восстановленные гильзы, показали, что среднее значение скорости изнашивания составляет - 089х10 -^4. Сопряженные детали ( поршни и поршневые кольца) имеют темп износа равный износу деталей, сопряженных с новой гильзой. Ускоренные испытания на износостойкость гильз, восстановленных в номинальный размер различными способами показали, что в целом, способ ТПД в матрице является более предпочтительным, в сравнении с другими способами.

уr уt

1,4			1
			2
1,2
1,0								300
0,8								240
0,6								180
0,4								120
					4
0,2	3							60
0								0
-0,2								-60
-0,4								-120
-0,6								-180
-0,8								-240

0 1 2 3 4 5 6 S,мм

Рисунок 5 Распределение радиальных уr и тангенциальных уt напряжений в эталонных и восстановленных образцах гильз цилиндров

1, 2 Распределение радиальных напряжений уr соответственно в восстановленных и эталонных образцах;

3, 4 Распределение тангенциальных напряжений уt соответственно в восстановленных и эталонных образцах;

Пятая глава содержит результаты внедрения технологии ТДП в производство и ее экономической эффективности.

На основании проведенных исследований и разработанных технических заданий было спроектировано и изготовлено оборудование с оснасткой для восстановления гильз цилиндров в номинальный размер. Разработаны технологические процессы восстановления как закаленных гильз типа СМД-60, КамАЗ-740 так и легированных типа Д-50, СМД-14. Для того, чтобы восстановить гильзу в номинальный размер, в соответствии с чертежом, технологический процесс должен придерживаться следующей последовательности и состоять из следующих операций: очистка; дефектация; предварительная токарная обработка наружной поверхности; ТПД гильзы; пескоструйная обработка; электродуговая металлизация; черновая токарная обработка посадочных поясков; растачивание внутренней поверхности; получистовое и чистовое хонингование внутренней поверхности; финишная антифрикционная безабразивная обработка; очистка внутренней поверхности; чистовая обработка посадочных поясков; контроль.

Устройство к установке ТВЧ для термопластического обжатия гильз в матрице ТПД-М 01.01.224 и приведенный выше технологический процесс внедрены на двух ремонтных предприятиях, «Щекиноагросервис» Тульской области и «Выгоничиагроремонт» Брянской области.

Анализ экономических показателей ремонтных предприятий «Щекиноагросервис» и АО «Выгоничиагроремонт», восстанавливающих гильзы цилиндров дизелей СМД-14, Д-50, КамАЗ-740, СМД-60 способом ТПД в матрице, показал, что средняя себестоимость составляет 50…60% от стоимости новой гильзы. Средняя отпускная цена восстановленных гильз составляет 60…70%, что в 1,5 раза дешевле новых.

Годовой экономический эффект от внедрения технологии восстановления гильз цилиндров составляет, при программе восстановления 2000 шт. в год - 302000 руб. (в ценах 2000г.)

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Гильзы цилиндров двигателя СМД-14, Д-50, КамАЗ-740, СМД-60 отработавшие межремонтный ресурс, имеют средний износ 0,14…0,22мм, максимальный износ не превышает 0,33…0,51мм. При этом 4…7% гильз подлежат выбраковке по причине трещин и сколов; 83…86% гильз требуют восстановления до номинального или ремонтного размера.

2. Способ ТПД в матрице с комплектом оборудования обеспечивает восстановление закаленных и легированных гильз цилиндров автотракторных двигателей типа СМД-14, Д-50, СМД-60, КамАЗ-740 и др. в номинальный размер с физико - механическими свойствами на уровне новой детали..

3. Установлено, что относительная усадка внутреннего диаметра гильзы зависит от коэффициента относительной толщины стенки гильзы, коэффициента линейного расширения материала гильзы и разности температур нагретой и охлажденной гильзы и не зависит от его размера.. 4.Метод ТПД гильзы в матрице, обеспечивает усадку гильз двигателей типа СМД-14, Д-50, СМД-60, КамАЗ-740 в пределах 0,6… 1,1мм.

5.Установлено, что действие матрицы оказывает большее влияние на процесс ТПД гильзы (70-75%), чем действие градиента температуры (25-30%) и создаёт максимальные внутренние напряжения растяжения у_и в пределах исключающих вероятность появления трещин.

6. В процессе ТПД гильзы в матрице появляются равномерно распределенные небольшие остаточные напряжения сжатия (у_исж= 80…120 МПа) по толщине, что является положительным упрочняющим фактором.

7. Разработанный новый комбинированный способ ТПД в матрице закаленных гильз цилиндров типа СМД-60 с одновременной закалкой ее внутренней поверхности обеспечивает получение улучшенных физико -механических свойств гильзы со структурой - безигольчатый или тонко игольчатый мартенсит глубиной не менее 1,5 мм, твердостью не менее НRC_э 42…45 При этом способе восстановления гильз цилиндров используется одновременное действие матрицы и подвижного градиента температуры.

8. В результате опытной производственной проверки были получены следующие результаты:

производительность процесса 60- 80 гильз в смену;

восстановленные гильзы отвечают требованиям чертежа;

ресурс восстановленной гильзы способом ТПД на уровне новой;

скорость износа сопряженных деталей (поршни и поршневые кольца ), работавших в новых и восстановленных гильз, одинакова;

себестоимость восстановления гильзы не более 60% от стоимости новой.

9. Технологический процесс восстановления гильз цилиндров двигателей СМД-14,СМД-60, Д-50, КамАЗ-740 методом ТПД в матрице с комплектом оборудования внедрен на двух ремонтных предприятиях. Годовой экономический эффект от внедрения технологии составляет 302000 рублей, при программе 2000 шт. в год., указанным способом восстановлено более 20000 шт. гильз.

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1. Исследование и разработка технологии, оборудования и оснастки для восстановления гильз цилиндров тракторных двигателей СМД-14, Д-50, Д-240 с; программой 100 тыс. шт. в год.// Отсчет о НИР. Рук. раб….. Гос рег. № 79045802. М..Ф. ГОСНИТИ,. 1981г. 246 с.

2. Хромов В.Н., Лялякин В.П. Костюков А.Ю. Новые технологии восстановления деталей термопластическим деформированием.// Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1998. №8.

3. Костюков А.Ю. Восстановление гильз цилиндров дизелей термопластическим деформированием в матрице.: Орел: Труды ОрелГАУ. 2000 г.

4. Ширяев А.А., Костюков А.Ю, Бойченко А.Э.Финишная антифрикционная безабразивная обработка внутренней поверхности гильз и цилиндров блоков автотракторных двигателей.: М.: Труды ВНИИТУВИД «Ремдеталь». 1999.

5. Ширяев А.А., Костюков А.Ю, Бойченко А.Э...Восстановление гильз цилиндров автотракторных двигателей способом термопластической деформации.: М.: Труды ВНИИТУВИД «Ремдеталь». 1999.

6. Костюков А.Ю. Восстановление гильз цилиндров термическим деформированием в матрице.: М.: Труды МГАУ, 2000г.

7. Лялякин В.П. Костюков А.Ю Унифицированная технология восстановления гильз цилиндров автотракторных двигателей в номинальный размер. //Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2000г, №12.

8. Костюков А.Ю. Совершенствование технологии восстановления гильз цилиндров.//Ремонт,восстановление, модернизация, .2002г, № 9.

9. Хромов В.Н., Костюков А.Ю. Теоретическое обоснование величины усадки гильз цилиндров автотракторных двигателей при восстановлении их термопластическим деформированием в матрице. М.: Труды ВНИИТУВИД «Ремдеталь». 2003г.

10. Патент Р.Ф.№ 2181649. Способ восстановления закаленных гильз цилиндров Б.И. №12, 27.04.2002, (авт. колл.: Хромов В.Н., Лялякин В.П., Ширяев А.А, Костюков А.Ю).

11. Патент Р.Ф.№2182932 Установка для термической обработки полых цилиндрических изделий (авт. колл. Ширяев А.А, Костюков А.Ю. Хромов В.Н., Лялякин В.П). Б.И. №15, 27.05.2002г.

12. Лялякин В.П. Бойченко А.Э. Костюков А.Ю. и др. Методы контроля новых и изношенных деталей. М.: ГОСНИТИ 2005г. 240 с.

Размещено на Allbest.ru

...