Особенности восстановления изношенных деталей

1 Анализ состояния вопроса

1.1 Возможные способы восстановления деталей

Восстановление изношенных деталей - сложный организационно-технологический процесс, при котором, в отличие от производства новых деталей в качестве заготовки используют изношенную, но уже сформированную деталь. В этом случае затраты на выполнение таких операций, как литье, ковка, штамповка и т.п., отсутствуют. В то же время при восстановлении изношенных деталей появляется ряд дополнительных операций: мойка, разборка, дефектация, комплектация, затраты на которые следует учитывать при выборе способа восстановления.

При выборе способов восстановления деталей обычно исходят из необходимости восстановления геометрических размеров и заданных свойств отдельных поверхностей деталей (рисунок 1.1). При этом стремятся получать восстановленный слой покрытия с максимально возможной износостойкостью.

В настоящее время для восстановления изношенных деталей порошковыми сплавами наиболее эффективны методы: плазменное, газоплазменное и детонационное напыление, плазменная наплавка.

Эти методы имеют ряд преимуществ: ограниченное тепловое воздействие на обрабатываемую деталь и небольшие деформации; минимальная глубина проплавления позволяет получать физико-механические свойства покрытий, близкие к свойствам наплавочного порошкового материала; возможность нанесения на изношенную поверхность порошков различных составов и получения покрытий с заданными физико-механическими свойствами; экономия материальных и энергетических средств за счет получения покрытий с минимальными припусками на последующую механическую обработку.

Выбор рационального способа восстановления начинается с классификации восстанавливаемых деталей. Цель классификации деталей - возможность разработки технологической документации не на одну деталь, а на технологический процесс восстановления группы деталей (рисунок 1.1).

К конструктивно-технологическим признакам, на основании которых детали объединены в родственные группы, относятся: вид материала, масса и размер детали, вид и величина износа, точность изготовления, общность дефектов и их сочетание, а также способы восстановления.

Существенное влияние на технико-экономические показатели способа восстановления деталей оказывает программа выпуска. При восстановлении деталей небольших программ, присущих мелкосерийному производству, наиболее выгодно применять универсальные способы наплавки: под слоем флюса, порошковой проволокой, вибродуговую, в среде защитных газов, плазменную, которые позволяют в широких пределах регулировать толщину слоя и состав наплавляемого металла.

Рисунок 1.1 - Методы восстановления деталей

Таблица 1.1- Технологические харрактеристики методов нанесения покрытий на цилиндрические поверхности.

1.2 Анализ процессов, происходящих при работе шестерни-муфты

У большинства деталей (корпусные. валы и оси, подшипники, шестерни и звёздочки, маховики, шкивы, цепи, лемеха и т.д.) изнашиваются, повреждаются следующие элементы и поверхности: зубья, резьбы, шлицы и шпоночные пазы, шейки и посадочные места под подшипники и др. Изнашивание - процесс отделения с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы.

Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Износ - результат изнашивания, определяемый в установленных единицах (объема, массы, длины и др.)

Под интенсивностью изнашивания понимают отношение значения износа детали к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или к объему выполненной работы.[24]

Виды изнашивания представлены в таблице 1.2

Таблица 1.2 - Виды изнашивания

Основными видами износа деталей машин и механизмов являются следующие:

- ударно-абразивный;

- эрозионный;

- износ трением;

- износ в агрессивных средах и при повышенных температурах [__].

Абразивный износ - наиболее агрессивный и распространенный вид изнашивания деталей, который происходит в результате воздействия на поверхность металла твердых абразивных частиц, перемещающихся относительно изнашиваемой поверхности, удаляя с нее металл в виде очень мелкой стружки или в виде дисперсных кусочков, хрупко отделяющихся при многократном воздействии.

Различают следующие виды абразивного изнашивания:

- при трении о закрепленные абразивные частицы;

- при трении об абразивную прослойку;

- при трении в абразивной массе;

- ударно-абразивное;

- гидроабразивное;

- газо-абразивное;

- в струе абразивных частиц.

Исследуя поверхности деталей при трении по абразиву выявили, что на процесс изнашивания влияют очень многие факторы: механические свойства детали и абразивных частиц; количество абразивных частиц (концентрация) между поверхностями трения; температура поверхностей трения; скорость трения скольжения и трения качения; величина проскальзывания при качении; качество и шероховатость поверхности. Общим для абразивного изнашивания является механический характер разрушения поверхности.

К абразивным частицам относятся:

- неподвижно закрепленные твердые зерна, входящие в контакт по касательной, либо под небольшим углом атаки к поверхности детали;

- незакрепленные частицы, входящие в контакт с поверхностью детали;

- свободные частицы в зазоре сопряженных деталей;

- свободные абразивные частицы, вовлекаемые в поток жидкостью или газом.

Абразивные частицы могут иметь различную форму, размеры и ориентацию относительно сопряженных поверхностей. Частицы размером менее 5 мкм уменьшают износ и в процессе эксплуатации коагулируют. Более 5 мкм увеличивают износ. На поверхности одной абразивной частицы могут быть участки с различными возможностями и характером воздействия на поверхность трения. В таблице 1.3 сведены виды и причины разрушения стальных деталей.

В зависимости от формы абразива и действующих нагрузок могут иметь место следующие виды нарушения фрикционных связей, наблюдаемые при механическом взаимодействии: упругое и пластическое оттеснение, а также срез внедрившегося материала (в данном случае абразивной частицей).

Для абразивного изнашивания, характеризуемого непрерывным, а в ряде случаев и значительным съемом металла с поверхности трения, характерны пластические деформации.

Таким образом, при ударно-абразивном изнашивании энергия удара влияет на скорость и механизм изнашивания и на критерий оценки износостойкости. Ударно-абразивное изнашивание в определенных условиях может быть осложнено дополнительным перемещением взаимодействующих поверхностей или частиц абразива, имеется в виду случай, когда удар сопровождается кратковременным проскальзыванием.

Абразивные частицы могут быть минерального происхождения или продуктами окисления металла, а также наклепанными металлическими частицами или твердыми структурными составляющими одного из сопряженных материалов. В зависимости от твердости материалов пар трения возможны следующие механизмы абразивного изнашивания:

-царапанье одной поверхности абразивными зернами, шаржированными в другую поверхность;

- перекатывание абразивных зерен между поверхностями трения, вызывающие пластическую деформацию в виде вдавленных борозд;

- одновременная реализация первых двух механизмов.

Проведены работы по изучению абразивного износа микроструктур с внутренними надрезами. Изучено влияние наличия "внутренних надрезов" (микротрещин, пластинчатого или сферического графита и первичных карбидов) в микроструктуре на абразивный износ инструментальной стали, серого, ковкого и белого чугунов. Внутренние надрезы увеличивают скорость абразивного износа хрупких металлов.

Широкое применение при восстановлении имеет наплавка. Для наплавки используют большой перечень материалов, обычно в виде электродов. Развитие этого метода упрочнения сводится к поиску более износостойкого материала, чем материал упрочняемой детали.

Нанесение износостойких сплавов на основу из обычных углеродистых сталей позволяет получать детали с хорошо сопротивляющейся ударам вязкой сердцевиной, изготовленной из недорогих и недефицитных сталей, покрытых слоями износостойких сплавов, обладающими высокой сопротивляемостью абразивному изнашиванию.

К числу наиболее распространенных наплавляемых материалов следует отнести: легированные или низколегированные стали с содержанием углерода меньше 0,4 %; низколегированные и нелегированные стали с содержанием углерода более 0,4 %; аустенитные высокомарганцовистые стали; хромистые стали; аустенитные и хромоникелевые стали и т.д.

Применение наплавки износостойких сплавов вполне удовлетворяет поставленным требованиям, так как обеспечивает возможность нанесения на изнашивающиеся поверхности рабочих органов машин износостойких слоев наплавленного металла общей толщиной до 3-6 мм в один, а при необходимости и в несколько слоев.

1.3 Дефекты деталей

В результате трения и изнашивания деталей в конкретных условиях эксплуатации изменяются геометрические параметры, шероховатость рабочих поверхностей и физико-механические свойства поверхностных слоев материала, а также возникают и накапливаются усталостные повреждения.

Под изменением геометрических параметров деталей понимают изменение их размеров, формы и взаимного расположения поверхностей. К нарушениям формы относят: неплоскостность, непрямолинейность, овальность, конусность и т. д., к отклонениям взаимного расположения поверхностей - непараллельность плоскостей и осей вращения поверхностей, торцовое и радиальное биение, несоосность и т. д.

Усталостные повреждения нарушают сплошность материала, способствуют возникновению микро и макротрещин, выкрашиванию металла рабочих поверхностей и излому деталей.

Изменение физико-механических свойств материала - нарушение структуры материала, а также уменьшение или увеличение твердости, прочности, коэрцитивной силы ферромагнитных материалов и т. д.

Нарушения режимов эксплуатации и правил ТО могут приводить к схватыванию трущихся поверхностей, короблению деталей, возникновению трещин, облому фланцев крепления и др.

Степень годности деталей к повторному использованию или восстановлению устанавливают по технологическим картам на дефектацию. В них указаны: краткая техническая характеристика детали (материал, вид термической обработки, твердость, размеры восстановления, отклонение формы и взаимного расположения поверхностей), возможные дефекты и способы их устранения, методы контроля, допустимые без ремонта и предельные размеры. Оценку проводят сравниванием фактических геометрических параметров деталей и других технологических характеристик с допустимыми значениями.

Номинальными считают размеры и другие технические характеристики деталей, соответствующие рабочим чертежам.

Допустимыми (считают размеры и другие технические характеристики детали, при которых она может быть поставлена на машину без восстановления и будет удовлетворительно работать в течение предусмотренного межремонтного ресурса.

Предельными называют выбраковочные размеры и другие характеристики детали.

Часть деталей с размерами, не превышающими допустимые, могут быть годными в соединении с новыми (запасными частями), восстановленными или с деталями, бывшими в эксплуатации. Поэтому в процессе контроля их сортируют на пять групп и маркируют краской соответствующего цвета: годные (зеленым), годные в соединении с новьими или восстановленными до номинальных размеров деталями (желтым), подлежащие ремонту в данном ремонтном предприятии (белым), подлежащие восстановлению на специализированных ремонтных предприятиях (синим) и негодные - утиль (красным). Годные детали транспортируют в комплектовочное отделение или на склад, требующие ремонта - на склад деталей, ожидающих ремонта, или непосредственно на участки по их восстановлению, негодные - на склад утиля.

У деталей обычно контролируют только те параметры, которые могут изменяться в процессе эксплуатации машины. Многие из них имеют несколько дефектов, каждый из которых требует проверки. Для уменьшения трудоемкости дефектации необходимо придерживаться той последовательности контроля, которая указана в технологических карпах, где вначале приведены наиболее часто встречающиеся дефекты.

1.3.1 Методы контроля геометрических параметров деталей

Размеры, форму и взаимное расположение поверхностей деталей обычно измеряют. Многообразие объектов требует применения различных контрольно-измерительных средств и методов измерения.

При дефектации используют следующие методы измерения: абсолютный, когда прибор показывает абсолютное значение измеряемого параметра, и относительный - отклонение измеряемого параметра от установленного размера.

Искомое значение можно отсчитывать непосредственно по прибору (прямой метод) или по результатам измерения другого параметра, связанного с искомым непосредственной зависимостью (косвенный метод). Примером последнего служит применение ротаметров для определения степени годности прецизионных деталей дизельной топливной аппаратуры (втулок плунжеров, седел клапанов, корпусов распылителей). Здесь непосредственно измеряется расход воздуха в зазорах между насадкой ротаметра и отверстием прецизионной детали. Чтобы установить размер отверстия, нужно использовать зависимость между зазором и расходом воздуха. По числу измеряемых параметров методы контроля подразделяют на дифференциальные и комплексные. При первом измеряют значение каждого параметра, при втором суммарную погрешность отдельных геометрических размеров изделия.

Если измерительный элемент прибора непосредственно соприкасается с контролируемой поверхностью, то такой метод называют контактным, а если нет - бесконтактным. Наиболее часто применяют следующие средства измерения: калибры, универсальный измерительный инструмент и специальные приборы.

Калибры - это бесшкальные измерительные инструменты для контроля отклонений размеров, формы и взаимного расположения поверхностей деталей без определения численного значения измеряемого параметра. Широко распространены предельные калибры, ограничивающие крайние предельные размеры деталей и распределяющие их на три группы: годные, подлежащие восстановлению и негодные.

Универсальные инструменты и приборы служат для нахождения значения контролируемого параметра в определенном интервале его значений. Обычно применяют следующие измерительные средства: штриховые инструменты с нониусом (штангенциркуль, штангенглубиномер, штанген-рейсмус и штангензубомер), микрометрические (микрометры, микрометрический нутромер и глубиномер), механические приборы (миниметр, индикатор часового типа, рычажная скоба и рычажный микрометр), пневматические приборы давления (манометры) и расхода (ротаметры).

Универсальный измерительный инструмент служит для определения износа резьб (резьбовые микрометры, резьбовые микрометрические нутромеры и др.), а также зубчатых и червячных колес (шагомеры, биениемеры и др.).

Специальные измерительные средства предназначены для контроля конкретных деталей с высокой производительностью и точностью. К ним относят, например, приборы для проверки изгиба и скрученности шатунов и радиального биения подшипников качения, оправки для проверки соосности гнезд коренных подшипников блока цилиндров и др.

При выборе средства измерения необходимо учитывать его метрологические характеристики (цена и интервал деления шкалы, точность отсчета, погрешность и пределы измерения), а также точность изготовления измеряемого элемента детали (после допуска). Методы и средства выявления несплошности материала деталей.

1.3.2 Неразрушающие методы контроля

Дефекты несплошности материала деталей, бывших в эксплуатации, можно условно разбить на две группы: явные и скрытые. Явные дефекты - это трещины, обломы, пробоины, смятие, коррозия. Их чаще всего обнаруживают внешним осмотром невооруженным глазом, через лупу от 5 до 10-кратного увеличения или ощупыванием. Для обнаружения скрытых дефектов применяют следующие методы контроля (дефектоскопии): капиллярные, обнаружением подтекания газа или жидкости, магнитные и акустические.

Для нахождения производственных дефектов, возникающих в процессе изготовления деталей, на крупных ремонтных предприятиях используют радиационный, рентгеновский и др.

Капиллярный метод предназначен для выявления наружений сплошности поверхности слоев детали (трещин), изготовленной из различных материалов (ферромагнитных и неферромагнитных сталей, жаропрочных, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, изделий из стекла, керамики и металлокерамики) служит также для определения производственных дефектов (шлифовочных и термических трещин, волосовин, пор и др.).

Этот метод обладает высокой чувствительностью и простотой технологии контроля. Его сущность состоит в следующем. На очищенную поверхность детали наносят специальную жидкость (пенетрант) и в течение некоторого времени выдерживают, с тем, что она успела проникнуть в полости дефекта, затем с детали удаляют излишки жидкости и просушивают. Жидкость остается только в полости дефекта. Для его выявления на поверхность изделия наносят проявляющий материал, который способствует выходу жидкости из полости (трещины) в результате адсорбции проявляющим веществом либо диффузии в него.

При диффузионном способе на поверхность детали наносят специальное покрытие, в которое диффундирует проникающая жидкость из полости дефекта. Этот способ более чувствителен, чем сорбционный, и его применяют для обнаружения мелких трещин.

Для получения контрастного индикаторного отпечатка дефекта на фоне исследуемой поверхности в состав проникающей жидкости вводят свето- и цветоконтрастные вещества. Если в состав пенетранта входят вещества, способные флуоресцировать при облучении ультрафиолетовым светом, то такие жидкости называют люминесцентными, а сам метод обнаружения дефектов - люминесцентным методом дефектоскопии. В состав этой жидкости могут входить как ественные, так и искусственно приготовленные вещества, называемые люминофорами. Если в пенетранте содержатся красители, видимые при дневном свете, то такие жидкости называют цветными, а сам метод - цветным методом дефектоскопии.

Капиллярные методы дефектоскопии основаны на способности жидкости втягиваться в мельчайшие сквозные и несквозные каналы (капилляры). При попадании жидкости в капилляр ее свободная поверхность искривляется (образуется мениск), в результате чего возникает дополнительное давление жидкости в капилляре, отличающееся от внешнего давления (воздуха). Значение этого давления зависит от коэффициента поверхностного натяжения и радиуса канала.

Для проникновения жидкости в дефект необходимо, чтобы жидкость хорошо смачивала поверхности, а размеры дефекта (канала) создавали возможность жидкости образовывать мениск.

Технология контроля изделий капиллярными методами состоит из следующих операций: очистки детали от маслянисто-грязевых и других загрязнений, нанесения пенетранта, выявления дефекта и окончательной очистки.

В ремонтном производстве при использовании люминесцентного метода дефектоскопии в качестве пенетрантов применяют жидкости из различного состава. Их наносят с помощью пульверизатора окунанием в раствор или мягкой кистью. После выдержки детали в течение нескольких минут (не более 5 мм) излишки жидкости удаляют, протирая поверхность ветошью, или промывают струей холодной Воды под давлением 0,2 МПа с последующей сушкой.

При самопроявляющемся способе деталь можно также погрузить в раствор люминофора в быстроиспаряющемся органическом растворителе, выдержать некоторое время и вынуть. После испарения растворителя на краях остаются кристаллы люминофора, которые ярко светятся при облучении ультрафиолетовыми лучами.

Для проявления дефектов широко применяют сорбционный метод. В качестве проявителей используют сухие порошки (каолин, мел и др.) и их суспензии в воде или органических растворителях (керосин, бензин и др.), а также быстросохнущие пигментированные или бесцветные растворы красок и лаков, которые наносят на поверхность детали после пропитки пенетрантом.

Так при использовании пенетранта ЛЮМ-А для проявления применяют раствор белой нитроэмали «Экстра» - 30 %, медицинского коллодия - 30 и ацетона - 40 %, а при ЛЮМ-Б - бентонита - 0,72...2,21 %, каолина - 6,67... 10 и воды - 92...87 %.

Для цветного метода дефектоскопии в качестве пенетрантов служат составы: керосин - 800 мл, нориол А - 200 мл, судан красный 5С - 10 г/л; спирт - 90 %, эмульгатор ОП-7 - 10 % с добавлением родамина С - 30 г/л.

В качестве проявителей применяют сорбенты в виде суспензии и белые проявляющиеся лаки.

После проявления дефектов детали очищают от проявителя. Проявители на основе лаков, нитроэмалей и коллодия удаляют раствором 80%-го спирта и 20%-го эмульгатора ОП-7.

Суспензии смывают 1%-м раствором эмульгатора ОП-7 или ОП-10 в вводе.

Обнаружение подтекания газа или жидкости необходимо для проверки герметичности пустотелых деталей: блоков цилиндров, головок блоков цилиндров, баков, водяных и масляных радиаторов, камер шин, трубопроводов, шлангов, поплавков карбюраторов и др. Его широко применяют для контроля качества сварных швов.

Степень герметичности определяют по утечке газа или жидкости в единицу времени, которую регистрируют с помощью приборов. В большинстве случаев место дефекта определяют визуально.

Методы контроля подразделяют на капиллярные, компрессионные и вакуумные.

Для дефектоскопии деталей, поступающих в ремонт, применяют способы керосиновой пробы (капиллярной метод) гидравлический и пневматический (компрессионный).

Керосин обладает хорошей смачивающей способностью, глубоко проникает в сквозные дефекты диаметром более 0,1 мм. При контроле качества сварных швов на одну из поверхностей изделия наносят керосин, а на противоположную - адсорбирующее покрытие (350...450 г суспензии молотого мела на 1 л воды). Наличие сквозной трещины определяют по желтым пятнам керосина на меловой обмазке.