Технологическое обеспечение качества восстановленных коленчатых валов дизельных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.113.004.67

А.С. Денисов, В.В. Погораздов, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОССТАНОВЛЕННЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Проведена оценка внутренних напряжений 2-го рода различных металлопокрытий, обоснованы режимы обработки лезвийным инструментом. Обоснованы математические зависимости и сделаны соответствующие выводы.

Коленчатый вал, нагрев, наплавка, обработка резанием, внутренние напряжения 2-го рода.

A.S. Denisov, V.V. Pogorazdov, B.F. Tugushev, E.Yu. Gorshenina

TECHNOLOGICAL QUALITY MAINTENANCE OF DIESEL ENGINES RESTORED CRANKSHAFTS

In the article below the internal stress of second sort of various metal coatings was estimated, modes of tool processing were proved and certain mathematical formulas and recommendations had been worked out.

Crankshaft, heating, surfacing, cutting, internal stress of second sort.

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

Малогабаритные коленчатые валы, как показывает практика, дешевле заменить на новые, а крупногабаритные экономичней восстанавливать, так как восстановление позволяет получить существенную экономию металла, материальных, производственных и трудовых ресурсов. Но здесь возникают сложности -технологические проблемы базирования и механической обработки. В связи с этим, повышение технологического обеспечения качества восстановления коленчатого вала на основе комплексного изучения базовой операции металлопокрытия, служащей для формирования вторичной заготовки восстанавливаемой детали, и дальнейшей механической обработки, явилось актуальной задачей исследования. Под качеством в данном случае понимается приближение характеристик восстановленного вала к новому посредством минимизации или отсутствия дефектов, оптимального по

эксплуатационным характеристикам наплавочного материала или совокупности материалов, оптимального режима обработки металлопокрытия коленчатого вала, износостойкости на рабочих поверхностях и вязкости в галтелях, как главных концентраторах напряжений.

Изучение причин поломок коленчатых валов показывает, что в большинстве случаев они являются следствиями усталости материала детали или наличия в ней внутренних напряжений. Внутренние напряжения могут возникнуть из-за контраста температур при наплавочной операции технологического процесса восстановления крупногабаритного коленчатого вала дизельного двигателя или из-за высоких температур, воздействующих на металлопокрытие коленчатого вала при его черновой обработке шлифованием.

Экспериментально установлено, что при наплавке коренных шеек коленчатого вала без предварительного подогрева детали можно выявить следующие закономерности: повышение температуры каждой последующей коренной шейки от наплавки предыдущей происходит на левых щеках в среднем на 12°С, а на правых щеках в среднем на 7°С [1], что, в конечном итоге, не удовлетворяет рекомендациям по предварительному подогреву восстанавливаемого вала, так как температуры коренных шеек непосредственно перед наплавкой находятся в интервале от 21 до 83 °С при необходимом диапазоне в 100...250°С.

Остаточные напряжения второго рода (относительные микродеформации) - это внутренние напряжения, возникающие в кристаллитах металла. Графики их изменения частично представлены на рис. 1 и 2.

Расстояние, х102 нм О Зона наплавленного металла Н Зона сплавления

* Зона термического влияния

Рис. 1. Остаточные напряжения второго рода в образцах, наплавленных проволокой Нп-30ХГСА

см

Ф X

і! ф го

I- 2

й ° І ■©■ I- <0

О 5

і£

•Зона наплавленного металла Зона термического влияния

■Зона сплавления

Рис. 2. Остаточные напряжения второго рода в образцах, наплавленных проволокой Св-15ГСТЮЦА

Исследование напряжений второго рода позволило сделать следующие выводы: при наплавке Нп-30ХГСА изменение относительных микродеформаций носит плавный характер, присущий как зоне наплавки, так и другим характерным зонам металла, а при наплавке Св-15ГСТЮЦА в зоне сплавления наблюдается высокий градиент изменения относительных микродеформаций, что говорит о наличии дефектов кристаллической структуры металла. Следовательно, наиболее благоприятными свойствами, с точки зрения сопротивления развитию трещин, обладает металлопокрытие, наплавленное Нп-30ХГСА.

Так как формирование внутренних напряжений зависят не только от структуры самого металла, но и от механических воздействий на него, то справедливо рассмотреть влияние обработки лезвийным инструментом на качество обрабатываемой детали [2].

Цвет стружки, в основном, зависит от скорости резания и изменяется от светложелтого, при низких скоростях, до ярко-синего, при высоких скоростях резания. После обработки экспериментальных данных были получены зависимости тангенциальной силы резания Рг и температуры в зоне резания 0° от величины глубины резания I (мм), подачи резца 5о (мм/об) и скорости резания V (м/мин), представленные в табл. 1.

На рис. 3 показаны зависимость шероховатости обработанной поверхности по Яа, от подачи 50, получение для рассматриваемых металлопокрытий при обработке их инструментом на режимах: глубина резания I = 0,3 мм; скорость резания V = 80 м/мин без охлаждения.

Таблица 1

Экспериментально-аналитические зависимости для тангенциальной силы резания Р2 и температуры в зоне резания 0°

Характ еристи ки Металлопокрытия

08Г2С З0ХГСА 08Х20Н9Г7Т 15ГСТЮЦА

Рі, Н 8 і 0 7 'л 1 5 «о О 1 «о г- о 00 г- ЧО о 1 «о г- о |> 00 Ю 00 10303 • і1 -50 78 V“0Лб

Ф О о о 503 • і011 • 50 22 • V0 25 510 • і011 • 50 22 V0 25 532 • і01 •£0 23 V0 25 520 • і01 •£0 24 • V0 26

Бо, мм/об

• 08Г2С ■ 30ХГСА А 08Х20Н9Г7Т ♦ 15ГСТЮЦА кривая зависимости

Рис. 3. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от подачи Ц = 0,3 мм; V = 80 м/мин)

Таблица 2

Коэффициенты и показатели степени для металлопокрытий

Характеристики 08Г2С 30ХГСА 08Х20Н9Г7Т 15ГСТЮЦА

Сх Ух Сх Ух Сх Ух Сх Ух

Температура резания, °С 257 0,25 261 0,25 266 0,25 260 0,25

Сила резания, Н 231 -0,15 239 -0,15 268 -0,15 340 -0,17

Стойкость, мин 737 -0,7 860 -0,75 980 -0,8 623 -0,75

Шероховатость, мкм 4,54 -0,3 4,26 -0,3 4,67 -0,3 5,63 -0,4

Влияние скорости резания на характеристики процесса резания исследовалось в диапазоне изменения скорости резания от 30 м/мин до 120 м/мин при фиксированных значениях подачи 80 = 0,1 мм/об и глубины резания і = 0,2 мм.

Если влияние скорости резания V (м/мин) на основные характеристики процесса точения исследуемых металлопокрытий формально описать общей зависимостью X = Сх^1х , где X- обозначение характеристики; Сх - коэффициент, учитывающий постоянные условия процесса; Ух - показатель степени при скорости резания, то в табл. 2 приведены значения коэффициентов и показателей степеней для рассмотренных металлопокрытий.

Таким образом, подытоживая все вышесказанное, можно сформулировать основные рекомендации для обеспечения оптимального резания при черновой операции обработки металлопокрытия (после технологической операции наплавки под слоем флюса АН-348А двумя разными проволоками [3]: шейки валов наплавлялись 1111-Нп-35В9Х3СФ-Т-Ф-3,6 с последующим отпуском при 500°С в течение 1 часа, а галтели наплавлялись на предварительно подогретую до 200...230°С поверхность проволокой 1,6 Нп-30ХГСА):

1. Для снятия корки с наплавленных на тело слоев всех рассмотренных в работе металлопокрытий целесообразно использовать резец с пластинкой из твердого сплава Т5К10. Корку снимать за один проход с глубиной резания с учетом неровностей припуска на подаче 80 не более 0,25 мм/об и скорости V~ 70.80 м/мин.

2. Для предварительной обработки наплавленных слоев, когда выполняется основная работа резания, при устойчивом точении без ударов, рекомендуется резец с пластинкой из твердого сплава Т15К6 с геометрическими параметрами и режимом резания, соответствующими положению об «оптимальной» температуре резания.

При этом, если точение производится на параметрах 1 Ф 0,2 мм и 8о ф 0,1 мм/об для определения оптимальных скоростей резания Уопт, обеспечивающих минимум относительного износа, следует воспользоваться следующими зависимостями:

- для металлопокрытия 30ХГСА:

Уопт =(1,62/10Д1 -5о’22 )1/0,25 , м/мин; (1)

- для металлопокрытия 08Х20Н9Г7Т:

Уопт = (1,59/ 10,1 • $023 ) / 0,25 , м/мин; (2)

- для металлопокрытия 15ГСТЮЦА:

Уопт = (1,09 / 10,1 • 80’24 }/ 0,26 , м/мин- (3)

Эти зависимости получены соответственно из формул табл. 1 после подстановки в них значений оптимальных температур 830°С, 850°С и 870°С.

Для металлопокрытия 08Г2С скорость резания для предварительной обработки может быть рекомендована такой:

Уопт =(1.59/10-п- С2У'0-25, м/мин. (4)

3. Для окончательной обработки с соблюдением точности и шероховатости и для обеспечения максимальной размерной стойкости инструмента обработка указанных материалов должна вестись на параметрах 1 = 0,2 мм; 8о = 0,1 мм/об.

Выводы

1. Для минимизации формирования хрупких структур за счет контраста температур самого коленчатого вала и наносимого металлопокрытия необходим предварительный подогрев в диапазоне 100.. ,250°С.

2. Оптимальным сочетанием металлопокрытий, наносимых на крупногабаритный коленчатый вал будет: для рабочей поверхности - ПП-Нп-35В9Х3СФ с последующем отпуском при 500°С в течение 1 ч и Нп-30ХГСА - на поверхность галтели, предварительно подогретую до 200.230°С.

3. Рассмотренные металлопокрытия, нанесенные на коленчатый вал, могут быть обработаны точением твердосплавным инструментом на станках нормальной точности с соблюдением требований чертежа по точности формы обрабатываемой поверхности и ее шероховатости.

4. Проведенные комплексные исследования процесса стружкообразования, термодинамики резания, шероховатости обработанной поверхности, износа и стойкости инструмента позволили выявить важные в практическом отношении зависимости указанных характеристик процесса резания от элементов режима, в том числе определить их оптимальные значения по критерию минимума относительного износа.

4. Теоретические выводы и практические рекомендации, позволяют обоснованно назначать режим обработки наплавленных материалов в ремонтном производстве, а также сократить расход режущего инструмента и обеспечить качество восстанавливаемой детали.

ЛИТЕРАТУРА

1. Горшенина Е.Ю. Исследование распределения температур в реальном технологическом процессе наплавки коленчатого вала / Е.Ю. Горшенина, Б.Ф. Тугушев // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2008. С. 39-46.

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

3. Горшенина Е. Ю. Двухпроволочная наплавка коленчатых валов / Е.Ю. Горшенина // Молодые ученые - науке и производству: материалы конф. молодых ученых. Саратов: СГТУ, 2007. С. 34-38.

Денисов Александр Сергеевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета

Погораздов Валерий Васильевич -

доктор технических наук, профессор кафедры «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении»

Саратовского государственного технического университета

Тугушев Борис Федорович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета

Горшенина Екатерина Юрьевна -

аспирант кафедры

«Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета

Denisov Aleksandr Sergeyevich -

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of «Automobiles and automotive enterprise» of Saratov State Technical University

Pogorazdov Valeriy Vasiliyevich -

Doctor of Technical Sciences,

Professor of the Department of «Designing and Computer Modeling of Technological Equipment in Machine and Instrument Building»

of Saratov State Technical University

Tugushev Boris Fedorovich -

Candidate of Technical Sciences,

Associate Professor of the Department of «Automobiles and automotive enterprise» of Saratov State Technical University

Gorshenina Ekaterina Yuriyevna -

Post-graduate Student of the Department of «Automobiles and automotive enterprise» of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 27.07.10, принята к опубликованию 30.09.10