CC BY
58
УДК 621.785/ 787:62-242.43
УПРОЧНЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ДИЗЕЛЕЙ ТЕРМОУПРУГОПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РЕМОНТЕ МАШИН
В.Н. Хромое
д.т.н., профессор, зав. кафедрой надежность и ремонт машин ОрелГАУ
Представлены технологии упрочнения и восстановления деталей сельскохозяйственных машин типа «полый цилиндр» из железоуглеродистых сплавов термоупругопластическим деформированием.
Введение
Вопросами надежности и конкурентноспособности машиностроительной продукции как на внутреннем и так внешнем рынках должны заниматься заводы изготовители. Надежность включает в себя такие четыре свойства, как безотказность, долговечность, ремонтнопригодность и сохраняемость. Поэтому заводы изготовители машиностроительной продукции должны диктовать свою техническую политику в области организации технического обслуживания, ремонта и утилизации выпускаемых ими машин и оборудования.
Чтобы достичь передовых рубежей в мире по качеству и конкурентоспособности техники недостаточно оригинальных конструкторских и технологических решений. В большей мере необходимо приближение сервиса по техническому обслуживанию машиностроительной продукции к мировому уровню.
За рубежом вопросами обеспечения рационального сервиса фирма-изготовитель начинает заниматься уже в период создания новой техники, причем размер затрат на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт является одним из основных показателей ее будущей конкурентоспособности.
Особую актуальность и остроту проблема технического обслуживания и ремонта машин приобрела в условиях действия рыночного механизма, когда предприятия обязаны организовать гарантийный и послегарантийный ремонты, а также фирменное обслуживание выпускаемой техники.
Опыт организации восстановления деталей
за рубежом в индустриально развитых странах
В промышленно развитых капиталистических странах изношенные детали восстанавливают за счет применения прогрессивного технологического оборудования и материалов высокого качества, используемых для нанесения покрытий на поверхности. Это позволяет фирмам взять на себя полную ответственность за обеспечение нормальной эксплуатации машин и оборудования, укомплектованных восстановленными деталями, выдержать конкурентную борьбу на рынках сбыта продукции. Восстановление деталей за рубежом считают экономически выгодным.
Различные фирмы успешно восстанавливают детали металлургического оборудования, авиационных реактивных двигателей, судовых дизелей и по другим отраслям экономики.
Номенклатура деталей непрерывно расширяется и охватывает дорогостоящие и металлоемкие детали, определяющие ресурс работы машины.
Расширение номенклатуры восстанавливаемых деталей — одна из важнейших проблем, которой заняты основные фирмы большинства индустриальных стран, производящие сельскохозяйственную, дорожно-строительную технику и грузовые автомобили.
В США различают специализированные производства трех типов.
1. Детали восстанавливают крупные дилеры-предприниматели (дилеры), занимающиеся продажей и обслуживанием техники. Они входят в состав специализированной службы по обслуживанию, создаваемой крупными фирмами-изготовителями. Дилеры организуют на своих предприятиях участки, цеха или поточные линии по восстановлению дорогостоящих металлоемких деталей ограниченной номенклатуры.
2. Ряд фирм, производящих технику, организует специальные заводы по восстановлению и ремонту агрегатов, узлов и деталей выпускаемых ими машин. Заводы в зависимости от их размеров оснащают поточными линиями.
3. Существуют небольшие фирмы, занимающиеся восстановлением узко специализированной номенклатуры деталей (не более двух-трех наименований).
Рассмотрим систему организации восстановления деталей на конкретных примерах.
Фирма «Катерпиллар» (Caterpillar) имеет завод в г.Батендорфе по капитальному ремонту двигателей. Обмен двигателей средней мощности, требующих ремонта, на капитально отремонтированный производится на любом из тысячи складов или у дилеров данной фирмы. Дилер выдает гарантию на восстановленные детали или отремонтированные двигатели с тем же ресурсом, как и у новых.
В г. Чикаго создан специальный завод фирмы «Ин-тернейшенел Харвестер» (International Harvester) для восстановления деталей и узлов тракторов на котором работают 200 человек.
Ресурс узлов и деталей, восстановленных на заводе, равен ресурсу новых, а стоимость восстановления составляет 20...25% стоимости изготовления новых деталей. Отпускная цена восстановленных узлов и деталей в среднем равна около 80% цены новых.
Опыт фирмы «Интернейшенел Харвестер» (International Harvester) получает все большее распространение, так как приносит значительные прибыли.
В ряде случаев ремонт организуется фирмами, производящими автомобили или агрегаты. так, фирма «камминз энджин компани» (Cummins Engine Company), производящая дизельные автомобильные двигатели мощностью 155400 л.с., предусматривает централизацию восстановления деталей, узлов и двигателей. С этой целью фирма организовала дочернюю компанию, имеющую четыре ремонтных центра в г.Колумбус (центральный), г.Лос-Анджелес, г.Мемфис и г.Чикаго.
В США организованы небольшие мастерские с числом работающих до 10 человек, где также восстанавливают детали ограниченной номенклатуры с помощью современного оборудования и технологических процессов при высокой степени механизации и автоматизации. Это позволяет выпускать высококачественные и дешевые детали.
В Германии техническое обслуживание и капитальный ремонт техники как правило осуществляют фирмы-
изготовители. Фирма «Даймлер-Бенц» (Daimler-Benz) выполняет капитальный ремонт двигателей грузовых автомобилей мощностью от 100 до 350 л.с. в г.Мангейм. Фирма «Diesel Feuer» специализируюется на ремонте и восстановлении двигателей тяжелых грузовых автомобилей и автобусов, в частности двигателей автомобилей «Mersedes-Benz» и «MAN» в г.Вупперталь и г.Оверат, а в последние годы на заводах начали заниматься ремонтом двигателей фирм «DAF», «Iveco», «Scania», «Volvo». Фирмы восстанавливают, прежде всего, металлоемкие и дорогостоящие детали.
В Англии основной объем восстанавливаемых деталей приходится на долю специализированных агрегатно-ремонтных предприятий. Например, на заводе «Лондон транспорт Борд» (предприятие средней мощности) ремонтируют агрегаты более 15 типов, а также узлы грузовых автомобилей и автобусов. Завод ежегодно ремонтирует около 2 тыс. двигателей, коробок передач, передних и задних мостов, радиаторов и других узлов, большинство изношенных деталей которых восстанавливают на заводе.
Аналогично восстанавливают детали на специализированных заводах компании «Перкинс» (Perkins) и других.
Для многих небольших ремонтных предприятий становится более выгодным отправлять изношенные детали для восстановления на специализированные производства, чем восстанавливать самим. Например, в ФРГ коленчатые валы восстанавливают только на трех специализированных предприятиях, куда они поступа-ют в основном от небольших ремонтных фирм [1].
Упрочнение и восстановление деталей в России
В России разработана концепция развития инженерно-технического сервиса в сельском хозяйстве, где основной упор делается на повышение роли машиностроителя-поставщика базовой модели машины (трактора, автомобиля, комбайна и т.п.) - в обеспечении сельскохозяйственного потребителя всем набором запасных частей, шлейфом прицепных и навесных машин и приспособлений, ремонт-но-технологическим оборудованием.
Вторым важным направлением реализации предложенной концепции инженерно-технического сервиса в сельском хозяйстве является совершенствование технологических процессов обеспечения работоспособности и безотказности машин и оборудования на основе рационального сочетания агрегатного и полнокомплектного ремонта, использования новых и восстановленных деталей [2].
Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машино-тракторного парка» (ГНУ ГОСНИТИ) выступил координатором в объединении научного потенциала ведущих ученых и научно-исследовательских институтов Российской академии сельскохозяйственных наук при формировании концепции инженерно-технического сервиса в сельском хозяйстве. Широкое развитие технологий восстановления деталей при ремонте машин в России позволило создать на базе ГНУ ГОСНИТИ техническое направление по разработке и внедрению перспективных технологий и оборудования для упрочнения, восстановления и изготовления деталей сельскохозяйственной техники.
В России накоплен огромный опыт по восстановлению деталей при ремонте как отечественных, так и зарубежных машин, который мог бы оказаться полезным отечественным и иностранным производителям техники.
На кафедре «Надежность и ремонт машин» ОрелГАУ ведутся научно-исследовательские работы по научной проблеме: «Разработка новых и совершенствование совре-
менных технологий изготовления, упрочнения и восстановления деталей при производстве и ремонте машин».
Среди применяемых в ремонтном производстве способов восстановления деталей пластическая деформация занимает особое место. При использовании указанного метода восстановление первоначальных размеров детали осуществляется за счет перераспределения материала самого изделия. В этом случае материал перемещают с нерабочих участков к изношенным поверхностям под направленным действием внешних или внутренних сил. Этот метод прост и экономичен.
Среди способов восстановления деталей пластической деформацией особое место занимает термоупругопла-стическое деформирование (ТПД), когда, нагревая и охлаждая восстанавливаемую деталь без приложения к ней дополнительных внешних сил от пресса, а, используя внутренние механизмы деформирования металла, достигают сохранения ее объема и перераспределения металла на рабочие изношенные поверхности с одновременным их упрочнением. В первую очередь, это детали типа «полый цилиндр» (в том числе поршневые пальцы и гильзы цилиндров двигателей) [3, 4, 5, 6].
Износы зеркала чугунной гильзы цилиндра не превышают 0,3 мм. Максимальный износ наружной цилиндрической поверхности поршневых пальцев изготовленных из низкоуглеродистой легированной стали (12ХН3А, 15Х и др.) с закаленным цементованным слоем достигает 0,03 мм.
Технология восстановления и упрочнения гильз цилиндров
Рассматривая методы восстановления гильз цилиндров ТПД под действием внутренних сил можно выделить несколько способов схемы, которых представлены на рис. 1. Схемы, представленные на рис. 1, по сути своей близки и характеризуются созданием движущегося градиента температуры вдоль оси гильзы. Технологически наиболее удобной является схема с размещением индуктора и спрейера с наружной цилиндрической поверхности гильзы. В результате ТПД в гильзе происходит перераспределение металла на внутреннюю изношенную поверхность как показано на рис. 2. Общий вид установки для термоупруго-пластического деформирования (ТПД) гильзы цилиндра дизеля показан на рис. 3. Вид восстанавливаемой гильзы цилиндра в процессе термоупруго-пластического деформирования (ТПД) показан на Рис. 4.
Рисунок 1 - Схемы способов восстановления внутренней цилиндрической поверхности гильз цилиндров термоупруго-пластическим деформированием (ТПД) а) - индуктор и спрейер расположены снаружи гильзы, б) - индуктор и спрей-ер расположены внутри гильзы, в) - индуктор расположен снаружи, а спрейер внутри гильзы: 1 - гильза цилиндра, 2 - индуктор, 3 - спрейер, 4 - центрирующая оправка.
I.
ь 1 [_ '/////// 7^7 7 7 7^7*7 7 7 7^77*7
тз 1 -о
и
Рисунок 2 - Схема изменения линейных размеров гильзы цилиндра термоупруго-пластическим деформированием (ТПД): Б, ^ Ь - соответственно наружный диаметр, внутренний диаметр, длина или высота гильзы цилиндра, Б', Ь' - те же размеры после ТПД
Рисунок 3 - Общий вид установки для термоупруго-пластического деформирования (ТПД) гильзы цилиндра дизеля
Данный способ целесообразно применять для незака-ливаемых гильз цилиндров изготавливаемых из специального легированного чугуна, например, двигателей ЗМЗ-53, КамАЗ-740, ЗИЛ-130 и других. Перед ТПД незакаливае-мых гильз их объемно прогревают до 500 °С для повышения пластичности металла.
При внутреннем диаметре гильзы цилиндра 100...130 мм величина остаточного перемещения внутренней цилиндрической поверхности составляет 0,7...1,3 мм, что является достаточным при величине износа зеркала гильзы равной 0,3 мм, величине коробления после ТПД 0,1 мм и припуске на механическую обработку 0,3 мм.
Математическое моделирование процесса ТПД позволили определить оптимальные режимы технологии [2]. Отличительной особенностью процесса ТПД методом создания движущегося градиента температуры вдоль оси является нагрев детали ниже точки Ас! на 20...30 °С. ТПД осуществляли при перемещении гильзы относительно индуктора со скоростью 2,0...2,5 мм/с при непрерывном охлаждении водяным душем. Для снятия высоких термиче-
ских напряжений после ТПД осуществляли объемный нагрев гильзы до температуры 350...400 °С с последующим охлаждением на воздухе (средний отпуск).
Рисунок 4 - Вид восстанавливаемой гильзы цилиндра в процессе термоупруго-пластического деформирования (ТПД)
Нагрев проводился на установке ТВЧ, петлевым индуктором и последующим охлаждением водой кольцевым спрейером. Мощность генератора установки ТВЧ - 100 кВт. Частота вращения гильзы - 30...50 мин-1. Скорость перемещения гильзы относительно индуктора при отпуске - 3 мм/с. Удельный расход воды для охлаждения нагретой поверхности гильзы - 20...40 л/м2.
если после одного цикла ТПД величина остаточной деформации внутренней цилиндрической поверхности гильзы составляла Ad=0,7...1,3 мм, то после двух циклов Да=1,1...1,9 мм.
После ТПД происходит уменьшение как внутреннего, так и наружного диаметра гильзы. Для восстановления наружных посадочных поясков гильзы необходимо осуществить их наращивание на величину слоя толщиной 1,5...2,0 мм.
Это можно выполнить способом электродуговой металлизации с использованием стандартных режимов как стальной, так и алюминиевой проволокой.
После получения припусков на механическую обработку внутренней и наружной поверхности гильзы цилиндра, осуществляют растачивание на вертикально-расточных станках и хонингование на хонинговальном станке.
Затем проводят механическую обработку наружных поверхностей гильзы на токарно-винторезном станке.
Гильзы, прошедшие два цикла ТПД растачивают на вертикально-расточных станках 2733П. Базирование осуществляют по наружной поверхности посадочных поясков, а зажим по торцовым. Режимы растачивания: частота вращения резца - 435 мин-1, подача - 0,05 мм/об.
Гильзы, прошедшие один цикл ТПД хонинговали на хонинговальном станке 3К833. Обработку проводили хонин-говальной головкой брусками АБХ125х8х5х3 АСК125/100-МС1-100 % до номинального диаметра. Режимы хонингова-ния -100 мин-1; количество двойных ходов - 40.
Таким образом, установлено, что при обработке гильз цилиндров на хонинговальном станке с гидравлическим приводом разжима брусков с помощью специальной хо-нинговальной головки достаточно припуска 0,35...0,4 мм на диаметр.
После электродугового напыления механическую обработку наружных поверхностей гильзы цилиндра осуществляют на токарно-винторезном станке. Гильзу закрепляли с помощью специальной двухцанговой оправки.
Технология восстановления и упрочнения поршневых пальцев
кировоградский ремонтно-механический завод восстанавливает поршневые пальцы ТПД по способу, на который получил авторское свидетельство более чем 30 лет назад, а усовершенствование технология получила в МГАУ им.В.П.Горячкина с участием авторов Кировоградского РМЗ.
ВНИИТУВИД «Ремдеталь» совершенствовал технологию без участия сотрудников кировоградского РМЗ и предложил дополнительное охлаждение наружной цементованной поверхности, а также фиксировать торцы пальца для перераспределения металла на внутреннюю и наружную цилиндрические поверхности [3].
В результате дополнительных экспериментальных исследований технологии восстановления поршневых пальцев ТПД по технологии кировоградского РМЗ было выявлено ряд недостатков: коробление при термопластическом деформировании, отклонение микроструктуры от требований ГОСТ и ряд других, но главным и трудноустранимым являлась седлообразность поршневого пальца. Седлооб-разность пальцев после механической обработки оставляла черновины на наружной цилиндрической поверхности в средней части, что требовало около 10% пальцев раздавать повторно.
Совершенствование технологии восстановления пальцев предложенное сотрудниками ВНИИТУВИД «Рем-деталь» привело в результате к тому, что палец приобретал бочкообразную форму и черновины после механической обработки оставались на цилиндрических поверхностях прилежащих к торцам.
По нашему мнению коробление наружной цилиндрической поверхности во многом определяется теми остаточными осевыми напряжениями, которые формируются в процессе термопластического деформирования. Раскроем механизм формирования остаточных напряжений в восстанавливаемом пальце и определим технологические пути дальнейшего совершенствования этой технологии.
Надо указать на такую особенность, что за счет образования при охлаждении в цементованном слое мартенсита нам желательно получать на наружной цилиндрической поверхности остаточные окружные напряжения сжатия, которые повышают выносливость и износостойкость рабочей поверхности и детали в целом. как известно, остаточные окружные и осевые напряжения в деталях цилиндрической формы имеют одинаковую форму распределения.
Для того, чтобы получить на наружной поверхности напряжения сжатия от структурных изменений - охлаждение необходимо вести только внутренней цилиндрической поверхности при изоляции других. Тогда рост мартенсита начинается с глубины цементованного слоя и завершается на наружной поверхности, вызывая значительные сжимающие напряжения, которые и образуют седлообраз-ность. Зная величину седлообразности, вызываемую структурными превращениями, можно предварительно до этого создавать в пальце бочкообразность при нагреве за счет регулируемого давления на торцы. А задача оптимизации
данной операции термопластического деформирования заключается в подборе таких режимов и временных выдержек, при которых бочкообразность и седлообразность компенсируют друг друга. В результате этой компенсации восстановленный поршневой палец приобретет правильную геометрическую форму.
На рис. 5 представлены схемы: а) способа восстановления наружной цилиндрической поверхности поршневых пальцев ТПД и б) изменения линейных размеров поршневого пальца. Общий вид устройства для охлаждения поршневых пальцев при термоупруго-пластическом деформировании (ТПД) показан на Рис. 6. Рабочее место с установкой восстановления поршневых пальцев термоупруго-пластическим деформированием (ТПД) показано на Рис. 7.
И я
'^77/7777/7777/77?7/7Л
1--
Рисунок 5 - Схемы а) - способа восстановления наружной цилиндрической поверхности поршневых пальцев термоупруго-пластическим деформированием (ТПД); б) - изменения линейных размеров поршневого пальца: 1 - поршневой палец, 2 - индуктор, 3 - втулка, 4 - спрейер, 5 - гидроклапан, Б, ^ Ь, - соответственно наружный диаметр, внутренний диаметр, длина или высота поршневого пальца, Б', Ь' - те же размеры после ТПД.
Рисунок 6 - Общий вид устройства для охлаждения поршневых пальцев при термоупруго-пластическом деформировании (ТПД)
Поршневые пальцы, изготавливаемые из цементуемой марки стали 12ХН3А (ГОСТ 4543-71), подлежащие ТПД, подают к закалочной установке токов высокой частоты (ТВ?) (N=50 кВт, f=2400 Гц), где в индукторе палец нагревают объемно до температуры фазовых превращений 840...860 °С, а затем зажимают по торцам и на установке ТПД охлаждают водяным душем изнутри, посредством спрейера вставляемого во внутреннюю полость пальца. При этом получают остаточную деформацию - увеличение наружного диаметра с одновременной поверхностной закалкой цементованного слоя на А Б=0,15 мм и длины на А Ь=0,3 мм, достаточных для компенсации износа и создания припуска на шлифование.
Поршневые пальцы, изготавливаемые из цементуемой марки стали 12ХН3А (ГОСТ 4543-71), подлежащие ТПД, подают к закалочной установке токов высокой часто-
ты (ТВЧ) (N=50 кВт, f=2400 Гц), где в индукторе палец нагревают объемно до температуры фазовых превращений 840...860 °С, а затем зажимают по торцам и на установке ТПД охлаждают водяным душем изнутри, посредством спрейера вставляемого во внутреннюю полость пальца. При этом получают остаточную деформацию - увеличение наружного диаметра с одновременной поверхностной закалкой цементованного слоя на Д Б=0,15 мм и длины на Д Ь=0,3 мм, достаточных для компенсации износа и создания припуска на шлифование.
Рисунок 7 - Рабочее место с установкой восстановления поршневых пальцев термоупруго-пластическим деформированием (ТПД)
После ТПД поршневые пальцы обрабатывают холодом в течение двух часов при температуре минус (50...70) °С для полного распада остаточного аустенита и проходят отпуск при температуре 190...220 °С в течение двух часов с последующим охлаждением на воздухе.
Затем поршневые пальцы подвергают шлифованию наружной цилиндрической поверхности на бесцентрово-шлифовальном станке и торцы пальцев на плоскошлифовальном станке. При помощи специальной оснастки снимают наружную и внутреннюю фаски. Полирование наружной фаски выполняют на приспособлении состоящем из стола, электродвигателя с закрепленным на его валу алмазным кругом, направляющей втулки и кожуха.
В завершение поршневые пальцы поступают на стол контроля, где их сортируют на группы по размеру и массе. После контроля и маркировки пальцы подают на участок консервации и упаковки. Кассеты с пальцами окунают в ванну с горячим моющим 10...20% раствором нитрата натрия, затем после стекания раствора каждый палец упаковывают на столе в ингибиторную бумагу.
Благодаря своей простоте технология восстановления поршневых пальцев ТПД внедрена в ремонтном и машиностроительном производстве в, частности, на ремонтном заводе «КамАЗ» г.Набережные Челны и на заводе «Автодизель» г.Ярославль.
Разработанные технологии восстановления и упрочнения деталей ТПД обеспечивают качество восстановления по геометрическим параметрам, физико-механическим и эксплуатационным свойствам на уровне не ниже новых деталей.
Вывод
Подводя итог выше изложенному можно сказать, что ТПД перспективный способ восстановления деталей, позволяющий восстанавливать цилиндрические поверхности стальных и чугунных деталей. Показана возможность упрочнения и восстановления внутренних цилиндрических поверхностей деталей типа «втулка» путем создания подвижного градиента температуры вдоль оси детали, а также упрочнения и восстановления наружных цилиндрических поверхностей путем создания градиента температуры по радиусу детали. Способ ТПД может быть широко использован как ремонтными предприятиями, занимающимися восстановлением изношенных деталей, так и машиностроительными заводами для устранения брака механической обработки.
Литература
1. Опыт работы ведущих капиталистических стран в области технического обслуживания и ремонта машин. Отчет о НИР. Хабаровск.: ХПИ, 1991. - 61 с. (Научный руководитель Хромов В.Н.).
2. Шпилько А.В., Боков В.Е., Северный А.Э., Пильщиков Л.М. Концепция развития технического сервиса в сельском хозяйстве Российской Федерации. - М.: ГОСНИТИ, 1998. - 20 с.
3. Хромов В.Н. Технология упрочнения и восстановления деталей машин термоупругопластическим деформированием // Технология машиностроения. - 2001. -36. - с. 39-42.
4. Хромов В.Н., Сенченков И.К. Термоупругопла-стическое деформирование металла: Восстановление деталей машин. Орел.: ОрелГТУ, 2002.- 219 с.
5. Хромов В.Н. Упрочнение и восстановление деталей термоупругопластическим деформированием как ресурсосберегающая технология при производстве и ремонте машин // Упрочняющие технологии и покрытия. -2005, 32, с.35-40.
6. Хромов В.Н. Упрочнение и восстановление деталей дизелей термоупругопластическим деформированием при производстве и ремонте машин // Тяжелое машиностроение. - 2005, 34, с.15-17
