6.2 Выбор методов восстановления поверхностей

Наиболее частым дефектом коленчатых валов является износ коренных и шатунных шеек. Выбранный способ восстановления данного дефекта должен обеспечивать необходимую твердость, износостойкость и прочность сцепления покрытия, не вызывать чрезмерного нагрева восстанавливаемой детали, обеспечивающий наименьшее снижение усталостной прочности.

Рассмотрим способы восстановления чугунных коленчатых валов:

Шлифовка под ремонтный размер. Это один из наиболее часто применяемых способов восстановления работоспособности коленчатых валов. Преимуществом данного способа является его технологическая простота (из оборудования требуется наличие круглошлифовального станка и типовой оснастки к нему). Однако, несмотря на простоту процесса, данный способ имеет недостатки: потеря взаимозаменяемости деталей, необходимость применения ремонтных вкладышей, уменьшение прочности, жесткости и ресурса коленчатого вала, при повреждении одной шейки приходится производить обработку всего коленчатого вала иногда через один ремонтный интервал, а если исчерпаны ремонтные размеры, деталь сдается в утиль. Установлено, что сопряжение вал-вкладыш с перешлифованными на ремонтный размер шейками часто имеет пониженный срок службы, это особенно важно для валов, не имеющих большого запаса прочности.

Вибродуговая наплавка в жидкости. При этом способе качество наплавленного металла зависит от многих факторов и резко ухудшается при изменении режимов наплавки и химического состава электродной проволоки. Поэтому даже при хорошо отлаженном процессе восстановления на шейках чугунных коленчатых валов часто встречаются поры и трещины. Количество пор увеличивается по глубине слоя, поэтому восстановленные чугунные коленчатые валы шлифуют лишь до третьего ремонтного размера, а затем выбраковывают. Усталостная прочность чугунных коленчатых валов, восстановленных вибродуговой наплавкой в жидкости, снижается на 35-40%. Также к недостаткам этого способа следует отнести разбрызгивание электродного материала и его повышенный расход, плохое формирование наплавляемого слоя, значительное термическое воздействие на деталь, приводящее к появлению термических напряжений в детали и трещин в наплавленном слое. Поэтому применение данного способа наплавки для восстановления чугунных коленчатых валов двигателей грузовых автомобилей становиться неприемлемым.

Вибродуговая наплавка в водокислородной среде. При этом способе восстановления наплавленный металл имеет структуру троостита, переходящую в сорбитообразный перлит с твердостью слоя HRC 42-48. Такой металл по износостойкости уступает высокопрочному чугуну, тем не менее, коленчатые валы восстановленные этим способом, обеспечивают срок службы двигателей соответствующий пробегу автомобиля 50-60 тыс. км. Сведений об усталостной прочности чугунных коленчатых валов, восстановленных наплавкой в водокислородной среде, не имеется. В целом эксплуатационные свойства таких валов изучены не достаточно, но из-за низкой в сравнении с высокопрочным чугуном износостойкости наплавленного металла этот способ наплавки не может быть рекомендован к повсеместному использованию.

Наплавка в среде углекислого газа. Этот способ не требует специальных устройств или защитных флюсов, поскольку дуга между электродом и наплавляемым изделием горит в струе газа, вытесняющего воздух из плавильного пространства и защищающего расплавленный металл от воздействия кислорода и азота. В качестве защитной среды обычно используют углекислый газ, аргон или их смеси. В ходе процесса отсутствуют вредные выделения или шлаковые корки, возможно легко корректировать процесс, проводить наплавку при различном пространственном положении наплавляемой поверхности. Вместе с тем процесс имеет сравнительно низкую производительность; характеризуется повышенным разбрызгиванием металла и значительным термическим воздействием на деталь, вследствие чего в наплавленном слое имеется значительная доля основного металла; в наплавленном слое присутствуют поры и трещины. Наименьшее количество дефектов на поверхности шеек получается при наплавке проволокой Нп-2Х13, наплавленный металл при этом имеет структуру аустенита с карбидной сеткой и неравномерную по длине твердость, колеблющуюся от HRC 51-60. Износ шеек чугунных коленчатых валов, наплавленных в углекислом газе проволокой Нп-2Х13 больше ненаплавленных шеек. Усталостная прочность при этом способе снижается на 45-50%. Из-за указанных недостатков такую наплавку применять нецелесообразно.

Двухслойная наплавка проволокой под легирующим слоем флюса. Данный способ характеризуется большой производительностью в результате применения высоких плотностей тока; возможностью управления составом и свойствами наплавленного покрытия за счет дополнительного легирования. Лучшие результаты из многочисленных вариантов двухслойной наплавки получаются при использовании малоуглеродистой проволоки Св-08 диаметром 1,6 мм и легирующего флюса АН-348А (2,5 части графита, 2 части феррохрома №6 и 0,25 частей жидкого стекла). Металл первого слоя имеет аустенитное строение и твердость HRC 35-38. Второй слой имеет мартенситное строение и твердость HRC 56-62 и содержит небольшое количество пор. Недостатком этого способа наплавки является образование большого количества трещин в наплавленном слое, вызывающих повышенный износ сопряженных вкладышей. Усталостная прочность чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ 53-А, восстановленных двухслойной наплавкой под легирующим флюсом, снижается на 26 - 28% т.е. меньше, чем при вибродуговой наплавке в жидкости. Наличие на поверхности шеек большого количества трещин не позволяет рекомендовать этот способ для широкого применения.

Наплавка под легирующим флюсом по оболочке. Сущность способа заключается в следующем. Деталь обвертывают, металлической оболочкой из листовой стали, плотно прижимают оболочку к поверхности детали с помощью специального приспособления и сваркой в среде углекислого газа прихватывают ее в стыке. После удаления приспособления производят автоматическую наплавку детали под флюсом по металлической оболочке непосредственно. Этот способ восстановления чугунных коленчатых валов позволяет получить наплавленный металл без пор и трещин при более высокой, по сравнению с другими способами наплавки, усталостной прочности восстановленных чугунных коленчатых валов. Достоинством этого способа является отсутствие пор и трещин, высокие прочностные характеристики. Недостатком данного способа является расширение номенклатуры применяемого оборудования, усложнение технологического процесса, невысокая производительность.

Электролитические покрытия. Для восстановления коленчатых валов может применяться хромирование, железнение, железнение с последующим хромированием. Преимущества электролитического хромирования: высокая микротвердость - 400.1200 МН/м² (в 1,5-2 раза выше, чем при закалке ТВЧ), высокая износостойкость (в 2-3 раза по сравнению с закаленной сталью), устойчивость в отношении химических и температурных воздействий, низкий коэффициент трения (на 50% ниже, чем у стали и чугуна), высокая прочность сцепления с поверхностью детали. Недостатки процесса и покрытия: низкий выход металла по току (8.42), небольшая скорость отложения осадков, высокая агрессивность электролита, большое количество ядовитых выделений, толщина покрытий не более 0,3 мм, неравномерность покрытия по толщине, возникновение значительных растягивающих напряжений в осажденном слое что приводит к отслоению покрытий и снижению усталостной прочности на 20-30.

Более дешевый и доступный процесс - мягкое и твердое железнение, мягкое железнение с последующим хромированием - может обеспечить номинальные размеры. Толщина покрытия - до 1,5 мм на сторону, скорость осаждения металла 0,72.1 мкм/с, выход по току 80.95, производительность процесса в 10 раз выше, чем у хромирования. Недостатки: большое количество водорода в осадке (до 2,5 м³ на 1 мкг осадка), который находится в различных формах и отрицательно влияет на механические свойства восстановленных деталей. Твердое железнение не требует термообработки, но вызывает внутренние напряжения, в покрытии появляются трещины, что значительно снижает усталостную прочность. При восстановлении крупногабаритных деталей сложной конфигурации возникают трудности с изоляцией мест, не подлежащих покрытию, площадь которых в десятки раз превышает покрываемую площадь, сложная конфигурация подвесных устройств и т.д. При комбинации мягкого железнения с последующим хромированием не выдерживается геометрия шейки, не допускается перешлифовка на ремонтный размер. Указанные недостатки не позволяют с высокой эффективностью восстанавливать изношенные шейки чугунных коленчатых валов.

Плазменное напыление. При данном способе нанесения покрытий для расплавления и переноса металла на поверхность детали используются тепловые и динамические свойства плазменной дуги. Плазма представляет собой ионизированный газ. Диссоциация молекул происходит при определённой температуре, которая зависит от вида газа и его парциального давления.

Рассмотренный способ плазменного напыления обладает важными преимуществами: получение покрытий из материалов, плавящихся без разложения, без ограничения по температуре плавления; использование для образования струи дуговой плазмы различных газов: инертных (аргона, гелия), восстановительных (водорода) и окислительных (воздуха, азота, что в сочетании с применением камер с защитной средой (вакуумом) или защитных насадок позволяет регулировать свойства среды, в которой нагреваются и движутся частицы порошка, кроме того, затраты на получение азотной плазмы вдвое меньше стоимости кислородно-ацетиленового пламени при эквивалентных выделениях энергии; гибкое регулирование электрического и газового режимов работы плазмотрона, что позволяет автоматизировать процесс; достаточно высокие производительность процесса и коэффициент использования напыляемого материала; нагрев поверхности до сравнительно небольших температур, что позволяет сохранить особенности структуры и свойства материала основы.

Недостатками плазменно-дугового способа нанесения покрытий в открытой атмосфере являются невысокая прочность сцепления покрытий с деталью для ряда условий эксплуатации; высокий уровень шума (110 - 130 дБ) и излучения; относительно высокая стоимость оборудования и его стационарность.

Все вышеперечисленные факторы обуславливают возможность формирования плазменным напылением рабочих поверхностей для деталей узлов трения, работающих в очень широком диапазоне нагрузок и скоростей.

Таблица 6.2 - Технико-экономические показатели способов нанесения покрытий

В наибольшей степени требованиям надежности удовлетворяют те способы восстановления, у которых числовые значения отношений больше 1. Однако, большинство способов восстановления вызывают снижение усталостной прочности на 20-40%, что вызвано происходящими структурными изменениями в основном металле связанными с высоким нагревом металла в процессе обработки, возникновением значительных внутренних напряжений в наплавленном металле. Эти недостатки накладывают ограничения на восстановление высоконагруженных коленчатых валов двигателей грузовых автомобилей.

Таблица 6.3 - Характеристики способов восстановления

В результате рассмотрения различных способов восстановления и сравнения их основных показателей можно сделать вывод, что наилучшей является технология восстановления с применением способа плазменного напыления, поскольку только данный способ позволяет обеспечить минимальное снижение усталостной прочности (до 10%) за счет малого нагрева детали, обеспечить малую пористость покрытия (менее 3%). Он позволяет обеспечить твердость и износостойкость покрытия, недостижимую при различных видах наплавки за счет применения тугоплавких износостойких материалов. Немногочисленные недостатки восстановления изношенных поверхностей чугунных коленчатых валов плазменным напылением также компенсируются значительным увеличением ресурса восстановленных деталей (в 2-3 раза), что делает данный способ экономически выгодным для применения в авторемонтном производстве.

Комплекс высокоскоростного и плазменного напыления (сдвоенная система) ТСЗП-HVOF - P - 2001 позволяет: наносить износостойкие покрытия с заданными свойствами; существенно повысить эксплуатационный ресурс восстановленных деталей.

Материал рабочего слоя покрытия состоит из смеси сплавов [NiCrBSi] и [NiAl]. Твердость покрытия 55-60 HRC. Износостойкость в 2-4 раза выше исходного материала коленчатого вала. Метод плазменного напыления применим не только в случаях невозможности восстановления коленчатых валов способом ремонтных размеров. Очень выгодно восстанавливать коленвалы, у которых имеется, например, одна аварийная (битая) шейка. Имеют место дефекты битых шеек, из-за которых вал со стандартного размера можно перешлифовать лишь в последний ремонтный размер (что снижает ресурс на 60-70%), либо сдать его в утиль. Технология плазменного напыления позволяет сохранить вал в рабочем состоянии, восстановив дефектную шейку.

В состав комплекса высокоскоростного и плазменного напыления ТСЗП-HVOF-P-2 входят: источник тока РРС 2002; холодильник РС-630; вращатель деталей; манипулятор KUKA KR-16; шкаф и пульт управления системой; блок газоподготовки; питатель порошка PF 2/2; пистолет К-2; плазмотрон F4.

Система управления смонтирована в пылезащищенном шкафу. Модульная структура контроллера позволяет использовать большой спектр дополнительных функциональных и коммуникационных модулей, расширяющих возможности ЦПУ. Установка управляется с панели оператора, которая позволяет отображать параметры протекающих процессов и управлять ими. Машинные данные преобразуются для удобства обслуживания в виде кривых, гистограмм и графических объектов, меняющих свой вид в зависимости от состояния процесса и выбранной программы. С панели оператора могут контролироваться все технологические параметры процесса и запоминаться более 100 вариантов технологических программ.

Установка HVOF - P - 2 в режиме плазмы работает на смеси газов: аргон, азот, водород.

Технические характеристики:

расход плазмообразующих газов: аргон - до 100 л/мин; азот - до 50 л/мин; водород - до 20 л/мин;

производительность при напылении металлов и сплавов: 2 - 5 кг/ч;

пористость покрытия: 0,5 - 8%;

адгезия: 3 - 8 кг/ммІ;

толщина напыляемого слоя: от 0,05 до 20 мм.

Применяемые материалы: для нанесения подслоя основного покрытия-порошковая композиция ВК-25 (карбид вольфрама, плакированный кобальтом), для нанесения основного покрытия-механическая смесь порошковых сплавов NiCrFe и Cr₃C₂ в весовых пропорциях 50% на 50% или 60% на 40%.

На основании дефектов, приведенных в карте дефектовки детали и принятого способа восстановления подбираем необходимое оборудование, режущий и измерительный инструмент, определяем маршрут и составляем карту технологического процесса.

Операция 005.

Разработка и анализ основных технико-экономических показателей является завершающим этапом проектирования, обеспечивающим экономическую оценку эффективности данного проекта.

Оценка эффективности проекта производится путем сравнительного анализа технико-экономических показателей нового проектируемого предприятия и лучших отечественных и зарубежных предприятий с данной специализацией.

Объём капитальных вложений по проектируемому подразделению Ко определяется как сумма:

(7.1)

где Кзд - стоимость зданий производственного и вспомогательного назначения,

Коб - стоимость оборудования,

Кии - стоимость производственного инструмента,

Кпп - стоимость приборов, приспособлений,

Кхи - стоимость хозяйственного инвентаря, тыс. руб.

Стоимость зданий производственного и вспомогательного назначения, включая сопутствующие сооружения (устройство отопления, вентиляции, водопровода, канализации и др.) определяется, исходя из их площади в м² и стоимости одного м² в рублях:

(7.2)

где a_всп - коэффициент, учитывающий площадь здания вспомогательного назначения, принимаем a_всп=1,1;

е_зд - стоимость 1м² производственного здания, руб.;

Sпр - площадь производственного участка, из технологического расчёта АРП принимается Sпр = 162 м².

Зависимость удельных капитальных вложений в производственно - техническую базу (е_зд⁾ от мощности АРЗ выражается следующей формулой:

(7.3)

где а и b - коэффициенты регрессии зависящие от типа производства,

для АРП а = 1850 и b = 0,21;

N - годовая программа АРП.

Значение получаем в условных единицах. Для перевода этого значения в рубли необходимо знать курс условной единицы на дату расчёта проекта:

(7.4)

где

Кпер - коэффициенты перевода условных единиц в рубли,

Стоимость оборудования определяется исходя из его количества, оптовой цены за единицу и затрат на транспортировку, монтаж и наладку, на стадии предварительных расчетов можно принять К_об=0,65·К_зд.

Стоимость производственного инвентаря и инструмента, принимается в размере 3.5% от стоимости оборудования, а стоимость приборов и приспособлений - в размере 5.7% от стоимости оборудования:

(7.5)

(7.6),

Стоимость хозяйственного инвентаря принимается 0,3.0,4% от стоимости здания:

(7.7),

В результате объем капитальных вложений будет равен:

Годовой выпуск в оптовых ценах:

(7.8)

где - производственная программа; - оптовые цены единицы продукции.

Годовой выпуск продукции по себестоимости определяется по формуле:

(7.9)

где - себестоимость единицы продукции.

Годовой выпуск в оптовых ценах на одного рабочего:

(7.10)

где - общая численность промышленно-производственного персонала.

Затраты по себестоимости на 1 руб товарной продукции:

(7.11)

Прибыль определяется по формуле:

(7.12),

Заключение