Разработка технологии восстановления прямобочных шлицевых валов

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУ ВПО

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВНРСИТЕТ

Факультет Технического сервиса в АПК

Кафедра Технологии и организации технического сервиса

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРЯМОБОЧНЫХ ШЛИЦЕВЫХ ВАЛОВ

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

(Выпускная квалификационная работа)

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ТОТС. ТВШВ. 00. 000 ПЗ

Дипломник С.Л. Барский

Руководитель к.т.н., доцент Н.С. Белоглазов

Консультанты:

по экономической части к.т.н, доцент Е.В. Зубова

по безопасности труда к.т.н., доцент С.В. Чернышов

по технологической части А.С. Широков

Нормоконтролер к.т.н., доцент Е.В. Солоницын

Зав. Кафедрой к.т.н., профессор А.В. Егоров

Декан к.т.н., профессор А.В. Егоров

2006

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Обоснование темы дипломной работы

1.1 Классификация шлицевых валов

1.2 Анализ износа зубьев шлицевых валов

1.3 Экономическое обоснование проектируемой технологии восстанов-ления зубьев шлицевых валов

1.4 Выводы и рекомендации

2. Анализ существующих способов восстановления и ремонта зубьев шлицевых валов

2.1 Классификация существующих способов восстановления шлицевых валов

2.2 Способы восстановления зубьев шлицевых валов

2.3 Выводы и предложения

3. Обоснование и исследование параметров технологического процесса предлагаемого способа

3.1 Обоснование параметров режима наплавки зубьев шлицевых валов

3.2 Сущность предлагаемого способа восстановления

3.3 Расчет усилия деформирования и определение площади контакта

4. Разработка установки для восстановления зубьев шлицевых валов по совмещенной технологии

4.1 Описание конструкции и принципа действия

4.2 Расчет основных элементов конструкции установки

4.3 Техническая характеристика установки

5. Разработка технологического процесса восстановления шлицевых валов (на примере шестерни ведущей конечной передачи трактора Т-40)

6. Безопасность труда

6.1 Опасные, вредные факторы при восстановлении шлицевых валов с использованием предлагаемой технологии

6.2 Мероприятия по обеспечению безопасных условий труда

6.3 Инструкция по охране труда

7. Технико-экономические показатели работы

7.1 Расчет затрат на конструкторскую разработку

7.2 Технико-экономические показатели проектируемой технологии

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Задача повышения темпов и эффективности развития экономики на базе ускорения научно- технического прогресса является первоочередной.

Главной задачей отечественного сельскохозяйственного производства является обеспечение населения нашей страны продовольствием, а перерабатывающих отраслей промышленности - соответствующими видами сырья. Ее выполнение возможно только при более широком внедрении в производство современных научно-технических разработок: интенсивных технологий возделывания, совершенных методов организации производства и т.п. Все это приводит к более интенсивному использованию машинно-тракторного парка села, что вызывает повышенные износы машин, поломки и выход из строя. Следовательно, повышение качества ремонта сельскохозяйственной техники, совершенствование процесса ее ремонта, разработка и внедрение в производство новых способов ремонта и методов восстановления является важной народнохозяйственной задачей [1,2].

В решении этой задачи важное значение имеет подготовка квалифицированных специалистов для агропромышленного комплекса, и прежде всего - для обеспечения грамотной технической эксплуатации машин и оборудования, занятых в сельском хозяйстве [1].

Большая роль при этом возлагается на ремонтные предприятия, т.к. имеющуюся технику в сельском хозяйстве необходимо поддерживать в работоспособном состоянии. Специализированные предприятия по ремонту сельскохозяйственной техники созданы, в основном, для капитального ремонта техники, работающей в сельском хозяйстве. При капитальном ремонте машин происходит их второе воспроизводство на базе годных, новых и восстановленных деталей [3, 4].

Большое значение имеет снижение себестоимости ремонта машин, которая до сих пор является еще достаточно высокой. Значительное влияние на себестоимость ремонта оказывает организация хранения машин в хозяйствах и строгое выполнение планово-предупредительной системы ремонта и технического обслуживания техники. Ведущая роль принадлежит здесь инженерам-механикам сельского хозяйства, которые должны в совершенстве знать основные закономерности и причины изнашивания машин, технологические и организационные способы увеличения долговечности машин. Важная роль в решении проблемы снижения себестоимости, помимо улучшения организации ремонтных работ, принадлежит качественному восстановлению деталей. Как показывает опыт ремонтных предприятий, свыше 60% деталей при капитальном ремонте могут быть восстановлены. Очень важно при этом находить методы восстановления, удовлетворяющие всем требованиям по качеству и экономичности. Современные высокопроизводительные методы ремонта рационально внедрять на специализированных предприятиях по восстановлению деталей. Широкое распространение восстановления деталей и постоянное его совершенствование поможет значительно улучшить качество отремонтированных машин при меньшей себестоимости. Необходимость восстановления деталей еще обусловлена и тем, что, как правило, себестоимость отремонтированных деталей, с учетом всех дополнительных затрат, значительно ниже, чем себестоимость запасных частей. Целью данного проекта является разработка технологии восстановления зубьев шлицевых валов с применением метода пластического деформирования. Для достижения поставленной цели необходимо решать следующие принципиальные вопросы:

1) Анализ износа зубьев шлицевых валов и способов их восстановления, применяемых в практике ремонта машин;

2) Разработка конструкции установки для наплавки изношенных зубьев с пластическим деформированием в горячем состоянии;

3) Экспериментальное исследование некоторых параметров предлагаемой технологии восстановления зубьев шлицевых валов.

ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЫ

Одним из наиболее распространенных соединений, во многом определяющий ресурс ходовой части и машины в целом, являются шлицевые соединения. В процессе эксплуатации детали этих соединений приобретают большое количество разнообразных дефектов: смятие и износ рабочих поверхностей зубьев ступицы и вала, поломка зубьев, заедание и т.п.

В настоящее время почти нет машин и механизмов, в которых не было бы передачи зацеплением. Из различных типов передач шлицевые соединения получили широкое распространение в ряде областей машиностроения, что объясняется их высокой нагрузочной способностью, конструктивными и технологическими преимуществами перед другими видами соединений типа вал-втулка. Шлицевые соединения применяются для посадки на вал зубчатых колес, муфт, дисков, фланцев, маховиков, звездочек цепных передач и так далее. Надежность и качество работы машин и механизмов во многом зависят от работы шлицевых соединений.

Шлицевые соединения отличаются большим разнообразием форм и размеров, являются напряженными и сложными деталями в конструктивном и технологическом отношении. Но механические коробки передач с подвижными зубчатыми колесами просты по конструкции, несложны в эксплуатации и поэтому до настоящего времени применяются в трансмиссиях отечественных и зарубежных тракторов, автомобилей, сельскохозяйственной и дорожно-строительной технике.

Для обеспечения высокой надежности шлицевых соединений в процессе изготовления валов и втулок применяют легированные стали и сложное технологическое оборудование.

До последнего времени использование прямобочных шлицевых соединений составляло 80-90% от производства шлицевых валов [5]. Однако научные исследования дали путь широкому применению соединении с эвольвентным профилем зубьев, у которых нагрузочная способность выше, чем у прямобочных при примерно одинаковой себестоимости обработки зубьев этих соединений [5]. Все больше заводов, таких как Челябинский, Алтайский, Минский тракторные, УралАЗ, Минский автомобильный используют в узлах и агрегатах выпускаемых машин эвольвентные шлицевые соединения. Применяемость прямобочных и эвольвентных шлицевых соединений в коробках передач тракторов и автомобилей, а также в трансмиссиях экскаваторов приведена в таблице 1.1

Таблица 1.1 - Применяемость шлицевых соединений [5]

Машина	Марка машин
	Шлицевые соединения прямобочным профилем	Шлицевые соединения с эвольвентным профилем
Трактор	Т-74, К-701, Т-40, Т-28Х4, Т-25, Т-8М, Т-54В, ТДТ-55, Т-150	ДТ-75, Т-100М, Т-130, Т-4А, МТЗ-50/80, ТДТ-75, ЮМЗ-6Л
Автомобиль	ГАЗ-51/53, ЗИЛ-130, УАЗ-452, ГАЗ-69, ГАЗ-24, МЗМА-412	МАЗ-200, ИАЗ-500, Урал, ЗАЗ-965
Экскаватор	Э-303А, Э-652Б, Э-304В, ЭТЦ-163, ЗТЦ-202А	ЭТЦ-205С, ЭО-2621А, Э-153, Э-2131А
Комбайн	СК-3, СК-4, СКД-5

Долговечность шлицевых соединений, используемых в трансмиссиях, носит вероятностный характер и для различных машин неодинакова, так как зависит от нагруженности, условий эксплуатации, конструкции, квалификации водителя и многих других факторов. Все выше сказанное частично нашло отражение в нормах амортизационных отчислений.

При ремонте шлицевые валы и втулки после выбраковки, как правило (особенно втулки), заменяют новыми. Это ведет к значительному повышению стоимости ремонта, а при многократной замене деталей в течение амортизационного периода работы машины стоимость их может превысить стоимость не только всего узла, но и машины. По этой причине вопрос о восстановлении деталей со шлицевыми поверхностями представляет определенный интерес, так как разработка технологии восстановления позволит снизить стоимость ремонта всей машины. В связи с изложенным возникает необходимость исследовать основные повреждения, по которым выбраковывают шлицевые соединения, а так же определить возможность и целесообразность их восстановления [6].

Классификация шлицевых валов

Большинство машин, работающих в сельском хозяйстве, в передаточных механизмах имеют шлицевые сопряжения.

Шлицевые сопряжения, как правило, включают в себя несколько деталей, а именно шлицевой вал и втулки шестерен, которых может быть не одна. Данное сопряжение в трансмиссионных передачах является очень ответственным, т.к. оно воспринимает всю нагрузку от передаваемого крутящего момента и должно обеспечивать надежное зацепление шестерен и не допускать самовыключения.

Шлицевые сопряжения могут быть подвижными, когда втулка перемещается вдоль вала (шестерни коробок передач тракторов, автомобилей, комбайнов и т.д.) или неподвижными, когда деталь должна быть закреплена неподвижно на валу.

Шлицевые сопряжения различаются по форме зубьев:

- прямобочные;

- эвольвентные;

- треугольные (остроугольные).

Наиболее распространенные в настоящее время соединения с прямобочным и эвольвентным профилем. В данной работе рассматриваются только шлицевые валы с зубьями прямобочного профиля.

Различают три вида центрирования таких сопряжений (рисунок 1.1):

а) по внутреннему диаметру;

б) по наружному диаметру;

в) по боковым поверхностям.



Выбор способа центрирования определяется конструктивными требованиями и технологическими особенностями эксплуатации и деталей шлицевого соединения.

Центрирование по внутреннему и наружному диаметрам применяют в тех случаях, когда требуется повышенная точность совпадения геометрических осей сопрягаемых деталей и особенно при перемещении втулки вдоль оси вала.

Центрирование по боковым сторонам зубьев не обеспечивает точного центрирования втулки и вала, но зато происходит наиболее равномерное распределение сил между зубьями. Этот способ рекомендуется применять при передаче больших крутящих моментов или при знакопеременных нагрузках. Центрирование по боковым сторонам зубьев допускается при числе зубьев не менее 10 и диаметре вала от 25 до 90 мм [4].

В прямобочных шлицевых соединениях применяются все три способа центрирования втулки относительно вала.

Основными материалами для изготовления шлицевых валов тракторов и автомобилей служат стали 40; 45; 20Х; 40Х, 45Х; 20ХНЗА; 18ХГТ; 30ХГТ с различной термической обработкой. Около 63% шлицевых валов изготавливаются из сталей 45; 40Х и 45Х. После поверхностной термообработки обычно твердость поверхности составляет 50…55 HRC [6].

Анализ износа зубьев шлицевых валов

Для выбора рационального способа восстановления шлицевых валов необходимо знать причины и характер износа зубьев.

Износ зубьев шлицевого вала, как и любых сопрягаемых поверхностей, является следствием работы сил трения при эксплуатации шлицевых соединений. При этом значительные износы зубьев шлицевых валов могут возникать вследствие неудовлетворительной и термической обработок, неточности сборки соединения, грубого нарушения режима работы или плохой герметизации узла.

Шлицевые соединения находят широкое применение для передачи крутящих моментов и фиксации положений деталей. В процессе эксплуатации машин при передаче крутящего момента на шлицевые валы действуют значительные нагрузки. При этом зубья испытывают действия изгибающих и контактных нагрузок циклического характера. Вследствие этих нагрузок определяются основные виды износов зубьев шлицевых валов [7, 8, 9, 10]:

а) износ зубьев по ширине;

б) износ зубьев по наружному диаметру;

в) износ зубьев по диаметру впадин;

г) поломка зубьев;

д) заедание.

Возникновение того или иного повреждения обусловлено рядом факторов (условия смазки, наличие абразивной среды, режим и характер выполнения работы, природно-климатические условия и т.д.) в зависимости от их наличия в каждом случае, одно из вышеуказанных повреждений может быть преобладающим. Из всех видов повреждений основной причиной выхода из строя считается износ контактирующих шлицевых поверхностей [11, 8]. Уменьшить скорость изнашивания контактирующих шлицевых поверхностей, за срок службы деталей, стремятся путем применения технологических, конструктивных и организационных мероприятий (выбор материала детали и режимов термообработки, размеров и количества шлицев, фильтрации масла, улучшения качества технического обслуживания и т.д.). Поэтому наличие указанных повреждений у деталей шлицевых соединений носят вероятностный характер.

В поперечном сечении вала, как правило, наблюдается односторонний износ зубьев по ширине (рисунок 1.2).



S - ширина зуба; Д - величина износа.

Рисунок 1.2 - Характер износа зубьев в поперечном сечении вала

Односторонний износ получается вследствие преимущественно одностороннего контакта шлицевых поверхностей, которые и подвергаются износу. Даже у реверсивных трансмиссий есть какое-то основное прямое направление вращения, а следственно и превалирующий односторонний износ.

В зависимости от конструктивных, технологических и эксплуатационных особенностей шлицевого соединения может наблюдаться неравномерный износ рабочих поверхностей зубьев. При этом неравномерность износа может быть как по высоте, так и по его длине (конусность) (рисунок 1.3).

Результаты микрометража (рисунки 1.4, 1.5) показывают, что износ зубьев по ширине не является постоянным по всей длине вала. В результате такой неравномерности образуется конусность по боковым сторонам зубьев (рисунок 1.3).

К образованию конусности приводит неравномерное распределение нагрузки по длине вала у не симметричных шестерен.

С увеличением конусности возрастает и перекос шестерен в зацеплении, что приводит к их неравномерной работе. В частности, анализ условий работы шлицевого соединения в условиях взаимного перекоса и радиального смещения деталей показал, что при перекосе имеет место точечный характер контактов в зубчатом соединении. Подобные условия работы и вызывают неравномерный износ зубьев.

Рисунок 1.3 - Характер износа зубьев по толщине

Преимущественно зубья изнашиваются по боковой поверхности, и этот дефект является определяющим по сравнению с другими. Однако на работу зубчатых зацеплений большое влияние оказывает не столько уменьшение ширины зубьев в результате износа, сколько образование конусности по длине вала выше допустимой.

Ранее на кафедре «Технология и организация технического сервиса» была проведена обработка данных микрометража шлицевых валов. После чего была выявлена статистическая вероятность распределения неравномерности износа, представленный на рисунках 1.4, 1.5.

Сравнивая графики распределения износов по толщине зубьев и по непараллельности износа, можно сделать вывод, что значительно большее количество валов подлежит выбраковке (если считать за допустимую конусность 0,05 мм на 100 мм длины вала) по конусности, чем по толщине.

Рисунок 1.4 - Статистическая вероятность распределения износа зубьев по толщине

Рисунок 1.5 - Статистическая вероятность распределения неравномерности износа зубьев по толщине

Т.к. по данным микрометража срерняя величина неравномерности износа составляет 0,13 мм на 100 мм длины зубьев (техническими требованиям на новые валы допускается лишь 0,05 мм на 100 мм длины).

По данным микрометражных наблюдений более 45% валов при существующих технических требованиях на дефектацию признаются годными и подлежат постановке на машины, в то время как они явно требуют ремонта по параметру непараллельности боковых поверхностей зубьев (конусность). [12]

Наблюдения ВНИИМЭСХ за тракторами, работающими в полевых условиях, показали, что шестерни коробок передач, установленные на валы с неравномерностью износа зубьев в пределах 0,12…0,16 мм на длине вала 100 мм при максимальном износе по ширине шлицев 0,4…0,5 мм (допустимом по существующим техническим требованиям), выходят из строя в 2…3 раза быстрее по сравнению с шестернями коробок передач заводской сборки [13].

При этом коробки передач работают с шумом, возможны случаи самовыключения шестерен из зацепления под нагрузкой, вилки переключения передач и пазы под вилки интенсивно изнашиваются.

Из этого следует, что срок службы шестерен и надежность работы коробок передач в целом зависят в значительной степени от неравномерности износа зубьев.

По конусности и непараллельности боковых поверхностей зубьев относительно оси вала в машиностроении задаются достаточно жесткие технические условия.

Допустимые перекосы в шлицевом соединении определяются перекосами (допустимыми) в зацеплении зубьев шестерен, установленными по ГОСТ 1643-81 [13, 14].

Новая шестерня, установленная на шлицевой вал (с конусностью зубьев превышающей 0,05 мм), получает перекос в зацеплении, превышающий установленный ГОСТом.

По данным испытаний [12,13] срок службы различных шестерен при этом сокращается более чем в 2 раза, кроме того, более чем в 3 раза возрастает скорость изнашивания самих зубьев.

В то же время существующие технические требования на дефектацию не предусматривают выбраковку шлицевых валов по неравномерности износа шлицевых поверхностей, тем самым допускают значительное количество фактически негодных деталей на сборку без восстановления. Конечно, коробка передач собранная из таких шлицевых валов, не может дать ни удовлетворительной работы по причине шумности и возможности самовыключения под нагрузкой, ни большего срока службы по причине большей интенсивности износа.

При дефектовочных работах, по-видимому, следует в первую очередь обращать внимание на обнаружение величины износа и сортировать шлицевые валы только по этому признаку.

Есть корреляционная связь между износом зубьев шлицевых валов по ширине и неравномерностью их износа. С увеличением износа зубьев по ширине больше и неравномерность износа по длине [12, 13].

Из этого следует, что все валы, имеющие износ по ширине больше допустимого, будут выбракованы и при проверке их только на конусность.

Экономическое обоснование проектируемой технологии восстановления зубьев шлицевых валов

Рациональность внедрения проектируемой технологии на ремонтные предприятия можно, также, обосновав данный способ восстановления зубьев шлицевых валов и с экономической точки зрения. Для этого, мы сравниваем затраты на восстановление шлицевых валов по проектируемой технологии с базовой, а также сравниваем их с ценой на изготовление нового вала.

В данной дипломной работе, мы разрабатываем технологию восстановления шестерни ведущей конечной передачи трактора Т-40 (Т25-2407052-Б-Р) с использованием совмещенной технологии для восстановления зубьев шлицевой части.

В качестве базовой, принимаем технологию с использованием вибродуговой наплавки зубьев в среде пара.

Для ориентировочной оценки проектируемой технологии рассчитаем себестоимость восстановления одного вала по формуле

(1.1)

где - заработная плата;

- затраты на приобретение ремфонда;

- затраты на материалы, используемые при восстановлении.

Остаточная цена изношенного шлицевого вала принята равной цене металлолома - 4,0 тыс. руб./т.

руб.

Затраты на материалы принимаем:

- для проектируемого способа руб.

- для базового способа руб.

Заработная плата по формуле

(7.6)

где - часовая тарифная ставка, руб./ч;

- штучное время выполнения операции, ч (Приложение А);

Заработная плата:

- для проектируемого способа руб;

- для базового способа руб.

Себестоимость восстановления одного вала

- для проектируемого способа руб;

- для базового способа руб.

- себестоимость изготовления нового вала руб.

Таким образом, проектируемая технология восстановления, с использованием совмещения операций наплавки и формообразования, экономически выгоднее базовой и в несколько раз меньше цены изготовления нового вала Следовательно, с экономической точки зрения, проектирование предлагаемой технологии целесообразно.

Выводы и рекомендации:

Чтобы обеспечить продолжительную работу зубчатых передач, недопустимо ставить шестерни на изношенные по шлицам валы.

Следует изменить существующие технические требования на дефектацию; они должны учитывать неравномерность износа зубьев по длине вала.

Технические требования на восстановленные валы должны приближенными к требованиям на новые, изготовленные на машиностроительных предприятиях.

Зубья валов должны подвергаться восстановлению при каждой замене на валах изношенных по зубьям шестерен при условии, если непареллельность боковых граней зубьев относительно оси вала, вызванная неравномерным их износом превышает 0,05 мм на длине 100 мм (т.е. должна отвечать техническим требованиям на изготовление новых валов).

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И РЕМОНТА ЗУБЬЕВ ШЛИЦЕВЫХ ВАЛОВ

Шлицевые соединения тракторных и автомобильных агрегатов относятся к сопряжениям, ремонт деталей которых не нашел еще рационального решения.

До сих пор, одной из существенных проблем в ремонте сельскохозяйственной техники является восстановление работоспособности шлицевых соединений, использующихся в большинстве механизмов мобильной техники, эксплуатирующейся в сельском хозяйстве. В решении этой проблемы особое место занимает индустриальность способов восстановления, повышение качества и снижение себестоимости ремонтных работ.

Одним из рациональных путей повышения долговечности шлицевых соединений является разработка и применение прогрессивных способов восстановления изношенных зубьев шлицевых валов и шлицевых втулок. Известно, что износ зубьев может достигать нескольких миллиметров. Выбракованные валы, часто имеют остаточный ресурс по другим дефектам, и с экономической точки зрения целесообразно их восстанавливать.

В настоящее время вопрос восстановления зубьев шлицевых валов по-прежнему остается актуальным. Сложная и трудоемкая технология восстановления требует не только появления нового способа, но и глубокого изучения данного процесса.

Все известные способы ремонта шлицевых валов, как правило, имеют в своей основе наплавку зубьев, вызывающую коробление вала, нарушение структуры основного металла и разброс твердости.

Эти способы достаточно трудоемки и не всегда эффективны. Поэтому ремонтные предприятия и хозяйства, эксплуатирующие технику, ремонтируют шлицевые соединения очень редко.

Однако необходимость восстановления зубьев вызывается самой практикой эксплуатации. Причем восстанавливать следует с учетом выведения неравномерности износа, т.к. она оказывает значительное влияние на работу шлицевых сопряжений (увеличивает интенсивность изнашивания шлицевых деталей) [5, 6].

Классификация существующих способов восстановления шлицевых валов

В ремонтной практике применяются две группы способов восстановления зубьев. Это способы с нанесением металла на изношенную поверхность и способы без нанесения металла (рисунок 2.1). И те, и другие имеют определенные достоинства и недостатки, которые будут описаны ниже.

Наплавкой металла следует восстанавливать валы, имеющие значительный износ. Восстанавливать зубья с малым износом таким способом нерационально, т.к. почти весь наплавленный металл будет удален последующей механической обработкой.

Способы ремонта зубьев без нанесения металла более целесообразны при малых износах, когда фактически требуется исправить только конусность зубьев.

Если дефектовочные работы будут построены на основе контроля зубьев на неравномерность износа, то значительная часть валов, поступающих на восстановление, будет иметь небольшой износ по ширине (допустимый по существующим техническим требованиям). В этих условиях основной упор, по-видимому, следует делать на способы ремонта зубьев без нанесения металла.

В ремонтной практике известны следующие основные способы восстановления зубьев шлицевых валов [5, 6]:

1. Способ ремонтных размеров:

а) шлифование;

б) отжиг - фрезерование, - закалка - шлифование.

2. Способ наращивания:

а) механизированная наплавка.

3. Способ пластического деформирования

а) раздача роликом;

б) осадка роликом;

в) раздача с применением электрогидравлического эффекта;

г) пластическое деформирование в многороликовой головке.

2.2 Способы восстановления зубьев шлицевых валов Способы ремонтных размеров

При минимальных износах зубьев ремонт заключается в восстановлении прямолинейности и параллельности боковых поверхностей зубьев и оси вала механической обработкой.

В качестве механической обработки используют фрезерование и шлифование (рисунок 2.2).

а) фрезерование; б) шлифование.

Рисунок 2.2 - Схемы восстановления зубьев способом ремонтных размеров

Операцию шлифования целесообразно применять для валов, имеющих максимальный износ по толщине зубьев не более 0,3 мм. Это позволяет шлифовать каждый зуб за один проход (выведение конусности) [13].

Если твердость зубьев не позволяет применять операцию фрезерования вместо шлифования, то восстанавливают зубья по следующей технологии:

отжиг - фрезерование - закалка - шлифование.

По такой схеме обрабатываются зубья, имеющие большой припуск на обработку.

Достоинства способа ремонтных размеров:

- простота и доступность использования;

- не требует дополнительного специального оборудования, кроме металлорежущих станков, т.к. позволяет использовать такие же станки, что и при изготовлении шлицевых валов (фрезерные и шлифовальные);

- не требует нанесения металла на изношенную поверхность;

- достигается хорошее выравнивание износа, (параллельность боковых сторон зубьев может быть получена в соответствии с техническими требованиям на новые валы);

- позволяет при нормальной эксплуатации машин и своевременном ремонте довести срок службы шлицевых валов до амортизационного срока машин.

Однако этот способ восстановления зубьев имеет и ряд недостатков, которые зачастую делают его неприменимым:

- возможность использования в малом диапазоне износа зубьев;

- значительное увеличение зазора в сопряжении шлицевой вал - шлицевая втулка;

- снятие металла происходит не только в месте износа, но и по всей длине шлицевой части;

- невозможность восстановления центрирующего диаметра.

Увеличение зазора в шлицевых сопряжениях влияет на работоспособность шлицевых деталей и коробки передач в целом в быстроходных передачах мобильных машин и особенно автомобилей, имеющих большой фактор динамичности. Как правило, в шлицевых сопряжениях, восстановленных таким способом при трогании и при переключении слышен характерный стук, что ведет к увеличению динамических и ударных нагрузок и, как следствие, к возрастанию интенсивности изнашивания. В таком случае срок службы шлицевого сопряжения, в том числе и вала, значительно сокращается и эффективность способа снижается.

Механизированные способы наплавки

При восстановлении зубьев шлицевых валов применяются следующие механизированные способы наплавки: под флюсом, вибродуговая, в среде углекислого газа или аргона, в среде водяного пара, в потоке воздуха.

В настоящее время наибольшее применение находят способы восстановления зубьев наплавкой.

Наплавка может быть «твердой» и «мягкой» и в зависимости от этого разрабатывается дальнейшая технология. Наплавка называется «твердой» или «мягкой» в зависимости от получаемой твердости наплавленного слоя (50…55 HRC при «твердой» и 200…280 HB при «мягкой»).

«Мягкая» наплавка применяется, в основном, когда производится заплавка впадин между зубьями или наплавка «вкруговую», с целью облегчения дальнейшей обработки фрезерованием и шлифованием зубьев с последующей термообработкой.

Наплавка по впадинам осуществляется, как правило, при восстановлении шлицевых валов с зубьями малого размера.

Круговая наплавка применяется при восстановлении валов с зубьями очень малого и малого размеров и всегда с зубьями остроугольного профиля.

Твердая наплавка, в основном, находит применение при восстановлении валов с зубьями большого размера при нанесении металла на боковую поверхность.

В этом случае в качестве механической обработки желательно применять электрохимические или электроабразивные способы, без последующей термообработки.

Слой, нанесенный на изношенную поверхность, должен удовлетворять определенным требованиям.

Требования, предъявляемые к твердой наплавке:

1) отсутствие пор и раковин, или сокращение их до минимума;

2) отсутствие трещин;

3) качественное формирование нанесенного металла с минимальным припуском на механическую обработку;

4) достаточная твердость (50…55 HRC) и износостойкость.

По литературным данным [15] для получения наплавленного металла требуемого качества нужно, чтобы в наплавленном слое содержание углерода и кремния не превышало 0,2% и 0,5% соответственно при содержании марганца в пределах от 1% до 1,5% (стали марок 45 и 40Х). Известно, что около 63% шлицевых валов изготавливаются из сталей марок 45, 40Х и 45Х, имеющих твердость рабочих поверхностей порядка 50…55 HRC. Указанные данные должны быть учтены при наплавке шлицевых валов.

1) Вибродуговая наплавка

Одним из способов наплавки зубьев шлицевых валов является вибродуговая наплавка (рисунок 2.3), когда электродная проволока подается к детали специальной головкой, придающей наплавочной проволоке колебательное движение. В зону горения дуги подается вода или специальный раствор, например кальцинированной соды. Толщина получаемого слоя составляет 1,0…1,5 мм [15].



Рисунок 2.3 - Схема вибродуговой наплавки

Режимы вибродуговой наплавки:

J = 110…120А; U = 18…22В; скорость подачи электродной проволоки

Vпр = 36…60 м/ч; жидкость подается со скоростью около 130 л/ч [15].

При наплавке этим способом может быть получена твердость 200…280НВ («мягкая» наплавка) и 50…55 HRC («твердая» наплавка).

«Мягкая» наплавка получается при использовании низкоуглеродистых проволок и при подаче жидкости только на мундштук только для обеспечения защиты сварочной ванны от окислительных процессов.

Высокая твердость наплавленного металла (50…55 HRC) при вибродуговой наплавке может быть получена при применении высокоуглеродистых и высоколегированных проволок при достаточно большом расходе жидкости, подаваемой непосредственно в наплавленный валик.

Ранее на кафедре «Технология и организация технического сервиса» ЧГАУ изучалась вибродуговая наплавка зубьев с воздушным и водяным охлаждением [16]. Для этой цели применялось оборудование: сварочная головка ГВМК - 2М, токарный станок, генератор ПГС - 500.

Оптимальный режим наплавки:

Uх.х. = 14 В; Uд = 18 В; Jд = 180…200 А,

где Uх.х. - напряжение холостого хода, В; Uд - напряжение электрической дуги, В; Jд - сила тока электрической дуги, А.

Материал - проволока ПК-2 (Нп-65Г) диаметром 1,8 мм.

Исследование наплавленных зубьев дало следующие результаты:

1) твердость наплавленного слоя 57…60 HRC (связано с образованием неотпущенного напряженного мартенсита);

2) на поверхности слоя имеются трещины;

3) фрмирование наплавленного металла идет не стабильно;

4) термическое влияние при интенсивном охлаждении невелико. Противоположная сторона зуба имеет твердость 35…43 HRC;

5) в наплавленном слое наблюдается пористость;

6) микроструктура имеет мелкоигольчатое мартенситное строение со столбчатой направленностью.

Полученная структура обладает высокой твердостью и износостойкостью, но имеет повышенную хрупкость.

На основании проведенных исследований следует считать, что интенсивное охлаждение при наплавке приводит к образованию трещин и нестабильности формирования наплавленного металла.

Таким образом, при правильно отработанных режимах наплавки, а также охлаждающей жидкости можно обеспечить высокие показатели процесса.

Достоинства вибродуговой наплавки:

- высокая твердость наплавленного слоя при наплавке высокоуглеродистой и высоколегированной проволокой;

- малое термическое влияние, вследствии большой скорости охлаждения (теплоотвода), нет отжига противоположной грани зуба;

- достаточно большая производительность.

Однако этот способ имеет и целый ряд недостатков:

- большой разброс твердости;

- пористость наплавленного слоя;

- нестабильность процесса и неудовлетворительное формирование металла;

- наличие микротрещин в наплавленном металле.

С целью улучшения процесса вибродуговой наплавки иногда в охлаждающий раствор вводят компоненты, содержащие ионизирующие вещества. Это способствует стабильности горения дуги [17].

2) Наплавка под флюсом

Применение автоматической наплавки под флюсом не имеет некоторых недостатков, присущих вибродуговому способу (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Схема наплавки под флюсом

К достоинствам этого способа следует отнести:

- достаточно высокую стабильность процесса;

- хорошее формирование наплавленного металла;

- большой диапазон восстанавливаемых зубьев валов по износу;

- высокая производительность.

Однако и у этого способа наплавки имеются недостатки:

- большое термическое влияние (коробление), вследствие малой скорости теплоотвода через флюсовую защиту;

- возможен отжиг противоположной грани зуба;

- большой припуск металла на последующую механическую обработку;

- затруднена наплавка валов малого диаметра (менее 40 мм), т.к. для удержания флюса необходимы щитки.

Для автоматической наплавки под флюсом рекомендуется проволока Св-30ХГСА диаметром 1,5…2,0 мм или высокоуглеродистая проволока У8, ПК-2 [15].

При наплавке под флюсом АН-348А вышеперечисленными марками электродов твердость получается равной 280…300 НВ [15].

Если наплавку вести под керамическим флюсом АНК-18, то можно получить твердость наплавленного металла, удовлетворяющую техническим требованиям по твердости для шлицевых валов.

Режимы при наплавке под флюсом [15]:

- сила тока J = 100…120 А;

- напряжение U = 25…27 В;

- скорость наплавки V = 30…32 м/ч.

В Курском политическом институте применяют автоматическую наплавку зубьев под флюсом АН-348А. Для валов с крупными зубьями и различным их износом эффективна двухэлектродная наплавка в соседние впадины расщепленными электродами (при необходимости с последующей наплавкой шлицевой части в круговую).

3) Наплавка в среде защитных газов

На практике широко применяется наплавка в среде защитных газов. Она применяется особенно тогда, когда нельзя применять по тем или иным причинам другой способ наплавки. Используются такие защитные газы как углекислый, аргон и смесь на основе аргона. Защитный газ предназначен для защиты расплавленного металла от окисляющего воздействия воздуха.

Наплавка в углекислом газе по сравнению с наплавкой с среде аргона характеризуется большими глубинами проплавления и величиной зоны термического влияния, а также меньшим легированием наплавленного металла. Вследствие таких причин металл после кристаллизации получает более крупнозернистую структуру и, следственно, меньшую удельную вязкость.

Для наплавки в среде углекислого газа используют проволоку Св-10ГС и Св-08ГСА.

Режимы наплавки в среде углекислого газа [18]:

- напряжение U = 18…19 В;

- сила тока J = 75…95 А;

- шаг наплавки 2,5…3,5 мм;

- скорость наплавки 30…45 м/ч.

При наплавке с среде углекислого газа по боковой поверхности зубьев можно получить толщину наплавленного слоя 0,8…1,5 мм. [18]

После наплавки детали подвергают цементации с последующей термической обработкой.

Достоинства наплавки в среде защитных газов:

- достаточно высокая стабильность процесса;

- удовлетворительное формирование металла.

Недостатки:

- требуется последующая термическая обработка;

- достаточно большой припуск на механическую обработку.

В Ленинградском сельскохозяйственном институте проводилась большая работа по восстановлению зубьев валов наплавкой. При этом применялся сварочный автомат АДПГ-500, проволока Св-30ХГСА и защитная среда - углекислый газ.

Наплавка осуществлялась:

Вкруговую (валы с малым диаметром, но не менее 40 мм).

Параметры наплавки: Jд = 250…350 А; Uд = 28…30 В;

2) По боковой поверхности зубьев:

Jд = 180…200 А; Uд = 28…30 В,

где Jд - сила тока электрической дуги, А;

Uд - напряжение электрической дуги, В.

После наплавки зубьев проводились последовательно соответствующие операции согласно технологии восстановления:

фрезерование - закалка - шлифование.

Описанные выше технологии восстановления зубьев включают такие операции как фрезерование и закалка, требующие значительных затрат времени на восстановление вала в связи с большим припуском на последующую механическую обработку и значительно удорожают восстановление шлицевых валов.

Способ пластического деформирования

Способы восстановления зубьев без нанесения металла имеют ряд преимуществ перед способами с наплавкой:

- отсутствие термического влияния;

- не требуется дополнительного расхода металла в виде электродной проволоки;

- позволяет эффективно восстанавливать валы с малыми износами при любой неравномерности износа.

Раздача зуба роликом

В настоящее время некоторое применение находит восстановление зубьев раздачей. Это один из способов восстановления зубьев пластическим деформированием. Этот способ заключается в раздаче наружной поверхности шлица вдоль оси (рисунок 2.5).



- усилие деформации; - составная часть усилия деформации; - угол раздачи;

- величина осадки.

Рисунок 2.5 - Схема раздачи зуба роликом

Если твердость зубьев больше 30 HRC, то предварительно они отжигаются местным нагревом с помощью газовой горелки. Затем вдавливают зубья до требуемого размера. Эту операцию проводят за несколько проходов на долбежных, строгальных или токарных станках, обеспечивающих усилие не менее 20000 Н [19].

Для проведения процессов деформирования применяются ролики специального профиля, изготовляемые, например, из инструментальной стали, или из стали ШХ-15. Твердость роликов после термообработки должна быть не ниже 58…60 HRC, а чистота рабочей поверхности Ra = 1,25. [19]

Ролик устанавливают по середине зуба (рисунок 2.5).

После раздачи одного зуба вал поворачивают и располагают ролик над следующим зубом.

Благодаря перераспределению материала зуба по толщине при деформировании роликом можно восстанавливать валы с износом до 2 мм. Кроме раздачи зубьев головкой с одним роликом применяется головка с двумя роликами [20]. В этой головке для удержания вала от проворачивания и перемещения деформирующего элемента вдоль зуба ролик снабжен ограничивающими ребордами. Они способствуют формированию боковых поверхностей зубьев, ограничивая растекание металла по сторонам. Операция деформирования может проводиться как в холодном, так и в нагретом состоянии вала. На основании исследований был выбран следующий профиль ролика (рисунок 2.6):

1 - Деформирующий элемент; 2 - Реборды.

Рисунок 2.6 - Форма ролика для раздачи зубьев

Деформирование шлицев роликовой головкой применяется для шлицев с центрированием по внутреннему диаметру вала и боковым поверхностям. При центрировании по наружному диаметру необходима дополнительная операция - заплавка металлом или заливка составом на основе эпоксидной смолы с металлическим наполнителем с последующей обработкой.

При изучении пластического течения металла был определен рациональный профиль деформирующего элемента ролика при диаметрах 60 - 70 мм. Такой профиль эффективен при восстановлении шлицев с износом до 2 мм при глубине внедрения 2,5…3,5 мм в зависимости от ширины и высоты восстанавливаемого шлица. После восстановления шлицы окончательно обрабатывают фрезерованием, шлифованием или калиброванием.

Восстанавливать зубья раздачей целесообразно при износе боковых поверхностей около 1 мм и ширине зуба более 10 мм [19].

Несмотря на то, что этот способ достаточно прост, все-таки для восстановления трансмиссионных валов он мало применим, т.к. шлицевых валов, имеющих ширину зуба больше 10 мм очень мало.

Преимущества данного способа:

- процесс восстановления шлицев протекает быстро (10 шлицев длиной 45 мм обрабатываются за 2 мин.);

- качество шлицев после обработки отвечает требованиям эксплуатации.

Недостатки:

- при центрировании вала по наружному диаметру и боковой поверхности требуется дополнительная операция по обработке;

- восстановление возможно при малых величинах износа шлицев (до 2 мм).

Осадка роликом

Ролики также могут применяться и при осадке шлицев. Этот способ используется при восстановлении как прямобочных, так и звольвентных шлицев по схемам, указанным на рисунок 2.7.

Под действием деформирующих усилий происходит перераспределение металла в зону износа. Для обеспечения лучшей деформации применяется электрический ток. Восстановление зубьев методом осадки требует несколько больших усилий, чем при продольной деформации.

а) прямобочный шлиц; б) эвольвентный шлиц.

Рисунок 2.7 - Схемы восстановления изношенных зубьев шлицевых валов осадкой роликом

3) Электрогидравлическая раздача полых шлицевых валов

Большой интерес для восстановления шлицевых валов представляет способ их раздачи с применением электрогидравлического эффекта (рисунок 2.8). Для восстановления деталей часто необходима деформация металла. Электрогидравлический эффект упрощает эту задачу. Для восстановления применяются жидкость (вода), электроды, высоковольтный электрический разряд. При электрогидравлическом разряде образуется ударная волна, которую можно использовать для восстановления полых шлицевых валов подобно раздаче другими способами.

Объем изношенных зубьев при электрогидравлической раздаче восполняется за счет металла цилиндрической части вала [18].

Достоинства:

- простота технологического процесса;

- высокая производительность;

- относительная дешевизна;

- отсутствие термического влияния.

Рисунок 2.8 - Схема электрогидравлической раздачи полого шлицевого вала

Недостатки:

- способ применяется только для полых валов.

Пластическое деформирование в многороликовой головке

Сущность предлагаемого способа восстановления зубьев состоит в поднятии роликами, за счет перераспределения металла внутреннего диаметра вала, зубьев по высоте и затем обжатии их другими роликами, которые по профилю копируют профиль боковой и наружной поверхности зуба.

Предварительно вал нагревают ТВЧ до температуры 900…1000 °С (рисунок 2.9).

Обжатие приводит к уменьшению наружного диаметра зубьев и за счет этого к увеличению их ширины.

Достоинства данного способа:

- заполнение изношенного объема зубьев идет за счет перераспределения металла самого вала;

- возможно восстановление нормальной посадки в шлицевом сопряжении (восстановление до нормальных размеров зубьев по наружному диаметру и ширине); Один и тот же вал можно восстанавливать таким способом 2…3 раза;

а) Высадка зубьев

б) Обжатие зубьев



Рисунок 2.9 - Схема восстановления зубьев пластическим деформированием в многороликовой головке

Недостатки:

- невозможно восстановление шлицевых валов с центрированием по внутреннему диаметру;

- необходимо большое усилие деформирования.

Выводы и предложения

На основании рассмотренных выше существующих способов восстановления шлицевых валов можно сделать следующие выводы:

Повреждение таких сложных деталей как шлицевые валы значительно снижает долговечность машин, поэтому вопрос их работоспособности является актуальным и экономически целесообразным;

Каждый способ восстановления применим к валу с определенными параметрами (конфигурация, размеры, величина износа);

Применение шлицевых валов с высокой твердостью рабочих поверхностей влечет за собой определенные трудности при их восстановлении различными способами (особенно в мелкосерийном производстве);

В настоящее время при восстановлении зубьев шлицевых валов находят широкое применение способы пластического деформирования (раздача и осадка зубьев роликом) и др.;

При больших величинах износа зубьев наибольшее применение находят различные способы наплавки (под флюсом и в среде защитных газов);

Объем восстановления шлицевых валов остается на настоящее время на низком уровне, в том числе и в виду несовершенства существующих технологий.

При разработки новых способов следует учитывать недостатки существующих и добиваться того, чтобы они своими достоинствами компенсировали эти недостатки.

Дальнейшее исследование и более широкое внедрение существующих способов восстановления зубьев (в том числе и наплавкой), разработка и исследование новых должны, в конечном итоге, привести к наиболее правильному и рациональному их применению, охватывающему всю номенклатуру шлицевых валов при самых различных величинах износа.

Восстановление шлицевых валов, дифференцированное по номенклатуре и степени износа, должно обеспечить достижение высокого качества при минимальной себестоимости. Конечно, такой подход к восстановлению шлицевых валов возможен только в условиях централизованного восстановления деталей.

Большинство зубьев имеют односторонний износ, кроме валов, участвующих в реверсивном движении. Поэтому необходима такая технология восстановления, которая сохраняет неизношенную сторону зубьев. При этом технология должна позволять восстанавливать полностью износ с минимальным припуском на последующую обработку. Такое условие, в частности, может быть выполнено с применением принудительного формирования наплавляемого металла после наплавки.

С целью значительного сокращения затрат на восстановление шлицевых валов возможно исключение повторной термической обработки вала. Это условие может быть достигнуто подбором режима автоматической наплавки, обеспечивающим максимально возможное снижение тепловой мощности дуги, интенсивным охлаждением и выбором материала электрода, позволяющего получать структуру наплавленного металла с заранее заданными механическими свойствами.

ОБОСНОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРЕДЛАГАЕМОГО СПОСОБА

Снижение трудоемкости восстановления и сокращения операций в технологическом процессе является важным вопросом, особенно при восстановлении деталей сложной конфигурации, к которым можно отнести и шлицевые валы.

Решение этого вопроса возможно путем совмещения процесса наращивания металла на изношенную поверхность и процесса предварительной (черновой) обработки наращенного слоя.

Совмещенный процесс применительно к восстановлению зубьев шлицевых валов предусматривает осуществление операций наплавки с минимальным припуском и чернового формообразования наплавленного металла по изношенной части шлицевого участка вала на одной установке.

Использование однослойной продольной наплавки с применением проволоки и флюса определенного состава и пластического формообразования позволяет исключить закалку ТВЧ за счет высокой твердости полученного слоя и снизить трудоемкость последующей механической обработки, а следовательно и затраты на восстановление вала.

Таким образом, предлагаемый процесс восстановления зубьев шлицевых валов о совмещенной технологии является рациональным.

Обоснование параметров режима наплавки зубьев шлицевых валов

Обработка наплавленных поверхностей с высокой твердостью и восстановление изношенных деталей представляет определенные трудности. Существенное значение при этом имеет величина наплавочных припусков, подлежащих обработке. Например, по данным Целинного филиала ГОСНИТИ [21] экономические потери из-за необоснованных припусков у различных деталей трактора К-700 составляют в среднем около 27%. Следует отметить, что наряду с увеличением трудоемкости и стоимости восстановления происходит еще и нерациональное использование сварочных материалов.

Все сказанное можно отнести и к случаю восстановления изношенных зубьев шлицевых валов.

По схеме, предложенной на кафедре ТОТС (ЧГАУ) (рисунок 3.1), наплавка заключается в нанесении металла на изношенную боковую поверхность зуба вала при горизонтальном положении последнего. Предварительный анализ возможных способов наплавки показал, что рациональным является применение автоматической наплавки под флюсом, которая обеспечивает возможность получения качественного слоя необходимой твердости без последующей термообработки.

1 - шлицевой вал; 2 - электрод

Рисунок 3.1 - Схема наплавки изношенных поверхностей зубьев шлицевых валов

Исследования показали [22], что локальная наплавка изношенных поверхностей деталей сложной конфигурации, к которым можно отнести и шлицевые валы, позволяет исключить повторную термическую обработку, если величина тока наплавки не превышает 120...140 А.

При наплавке шлицевых валов по схеме рисунка 3.1 целесообразно применять наплавочную головку сварочного автомата типа АДС-1000. Источником питания служит сварочный выпрямитель ВДУ-504-1.

Геометрические размеры зубьев вала и предварительные опыты позволили придти к выводу, что диаметр наплавочного электрода должен быть равным 1,8…2,0 мм.

Целью данного исследования является определение параметров режима наплавки, обеспечивающих минимальную величину припуска на последующую обработку по толщине зуба при условии стабильного процесса горения дуги.

При исследовании использован метод планирования многофакторного эксперимента [23].

При наплавке шлицевых валов выходными параметрами могут служить стабильность процесса наплавки, коэффициент наплавки и толщина наплавленного слоя. В идеальном случае стабильность процесса наплавки определяется постоянными значениями тока, и напряжения во времени и количественно может быть выражена средними квадратическими отклонениями уJ и уU от их средних значений.

Условие оптимизаций этого параметра можно задать выражением

(3.1)

Коэффициент наплавки характеризует производительность процесса. Оптимальной величиной коэффициента наплавки можно принять его нормальное значение, которое при автоматической наплавке под флюсом, составляет 12…13 г/А·ч.

Толщина наплавленного слоя прямопропорционально определяетвеличину припуска на последующую обработку. Условие оптимизациитолщины наплавки можно задать выражением ДH>min, при заданном качестве слоя. Качество слоя оценивалось визуально отсутствием пор, трещин и непрерывностью наплавки. Минимальное же значение толщины слоя при автоматической наплавке под флюсом составляет 1,5...2,0 мм.