Разработка процесса востановления коленчатого вала Ваз 2108-09

2.2.2. Анализ способов  восстановления дефектов  чугунных коленчатых валов. 

Дефект  №1 – изгиб коленчатого  вала.

      Изгиб коленчатого вала устраняется правкой, которая осуществляется на прессах  или специальном оборудовании. Существует несколько различных способов правки, в том числе путем приложения к валу усилия, перпендикулярного оси, растягиванием или сжатием деформированных участков вала, а также созданием наклепа на поверхности вала. Правка методом статического изгиба в данном случае (вал чугунный) осуществляться не может, так как она способствует снижению усталостной прочности и пластичности вала, также в зоне галтелей шатунных шеек могут развиваться старые и зарождаться новые микротрещины, и возможен возврат прогиба.

      Наиболее  оптимальный способ для правки чугунного коленчатого вала – это способ чеканки. Снижение усталостной прочности не наблюдается, сохраняется высокая стабильность формы детали в эксплуатации.

      Чеканку галтелей выполняют клепальным пневматическим молотком КМП-14М, размеры которого должны соответствовать размерам галтелей. Перед чеканкой у вала определяют место и направление наибольшего изгиба, после чего его устанавливают на призмы максимальным прогибом вниз.

      Если  максимальное биение находится в  области третьей коренной шейки  в плоскости кривошипа, то выполняют чеканку галтелей первой и второй шеек в зоне перекрытия коренной и шатунной шеек на дуге 40…50⁰. После чего проводят контроль биения вала. Если значение биения выше допустимого, то необходимо чеканить галтели третьей и четвертой шеек, а также пятой и шестой.

      Когда максимальный прогиб находится в  плоскости, перпендикулярной кривошипам, правку вала осуществляют чеканкой двух симметрично расположенных галтелей относительно выпрямляемой шейки. Участок  наклепа располагается под углом 45⁰ к плоскости кривошипа.

      Дефект  №2;№3;№4;№5 – износ  коренных и шатунных шеек коленчатого  вала износ посадочных поверхностей под  шестерню и ступицу  шкива; износ шпоночных  канавок; износ посадочной поверхности под  маховик.

      Существует  несколько технологий восстановления указанных дефектов коленчатых валов[5].

• Обработка деталей под ремонтный размер;
• Способами напыления:

     а)  детонационное напыление;

     б) плазменное напыление;

     в) газопламенное напыление;

     г) электродуговое напыление;

• Способами наплавки:

     а) дуговая наплавка под слоем флюса;

     б) вибродуговая наплавка;

     в) наплавка порошковой проволокой;

     г) наплавка в среде  углекислого газа;

     д) плазменная наплавка;

     Обработка деталей под ремонтный  размер.

     Обработка поверхностей детали под ремонтный  размер эффективна в случае, если механическая обработка при изменении размера не приведет к ликвидации термически обработанного поверхностного слоя детали. Тогда у дорогостоящей детали соединения дефекты поверхности устраняются механической обработкой до заранее заданного ремонтного размера (в нашем случае шейки коленчатого вала), а другую (более простую и менее дорогостоящую деталь) заменяют новой соответствующего размера              (вкладыши). В этом  случае соединению будет возвращена первоначальная посадка, но поверхности детали, образующие посадку, будут иметь размеры, отличные от первоначальных. Применение вкладышей ремонтного размера позволит снизить трудоемкость и стоимость ремонта при одновременном сохранение качества. Ремонтные размеры и допуски на них устанавливает завод-изготовитель.

     Восстановление  деталей под ремонтные размеры  характеризуется простотой и  доступностью, низкой трудоемкостью  и высокой экономической эффективностью, сохранением взаимозаменяемости деталей  в пределах ремонтного размера. Однако реализация способа связана со значительными затратами на приобретение заменяемых деталей, а в эксплуатации возможен повышенный износ подвижного сопряжения из-за снятия наружного более износостойкого слоя материала при обработке детали, наблюдается снижении усталостной прочности валов и увеличение удельного давления в спряжениях. Износ коренных шеек коленчатых валов увеличивается на 15…20%, начиная с третьего ремонтного размера, а усталостная прочность снижается на 25% при достижении последнего ремонтного размера. Недостатками являются также сложность комплектования и подбора деталей, необходимость большого количества измерительного инструмента и увеличение складских запасов.

     Способ  получения сопряжения деталей РР бывает основанным при освоении ремонта  изделий, когда нет оборудования для нанесения восстановительных покрытий.

      Детонационное напыление.

      Детонационные покрытия формируются с помощью  ударных волн, периодически инициируемых микровзрывами смеси кислорода  и ацетилена.

      Данный  механизм (рис.2.3) – двухфазный: сначала  на поверхность шейки вала наплавляют более крупные мелкорасплавленные частицы, а затем – непроплавленные,  которые дают эффект горячего абразивного удара прессования, т.е. увеличивают плотность уже сформированного покрытия. Причем все это происходит при высоких скорости распространения детонационной волны (2000-4000 м/с) и температуре (2470-5770 К). 
 
 
 

 

      Рис. 2.3. Схема установки для нанесения  детонационного покрытия:

      1 – газопровод; 2 – электрическая  свеча; 3 – источник тока; 4 – порошковый  дозатор; 5 – трубка-створ; 6 – подложка; 7 – покрытие; 8 – порошок.

      Данный  способ, по существу, универсальный: он обеспечивает получение покрытий из металлов (никеля, бронзы, меди и др.) и их сплавов, а также материалов обладающих высокими термической стойкостью, износостойкостью, твердостью.

      Как показали исследования, качество детонационного покрытия зависит не только от химического, но и от гранулометрического состава  порошка. Например, при зернистости  менее 40 мкм кинетическая энергия  порошка может оказаться меньше необходимой для удовлетворительного сцепления покрытия с подложкой; при зернистости более 100 мкм частицы могут подлетать к подложке не расплавленными под воздействием энергии взрыва, что отрицательно влияет на адгезию покрытия.

      Высокая износостойкость покрытий из порошков на основе никеля объясняется не только твердостью нанесенного слоя, но и тем, что атом никеля имеет небольшой радиус и, как следствие, способен создавать большую плотность ионов на поверхности сплавов. Другими словами, напыленная из никелевого порошка поверхность обладает повышенными   маслоудерживающими свойствами.

      Следует отметить и недостатки этого способа:  во-первых уровень шума при работе детонационной установки – 140 дБ,  что выше предела допустимого  техникой безопасности (80 дБ); Характеризуется высоким  содержанием отработавших  газов с содержанием оксидов углерода, азота и др. элементов; в результате   воздействия непроплавленных частиц в конце двухфазного потока происходит отделение верхних слоев покрытия (эффект абразивного отделения); малая толщина покрытий 30…150 мкм и дорогостоящее оборудование.

        

      Плазменное  напыление.

      Довольно  хорошо известный и освоенный  способ восстановления валов. Его суть сводится к переносу металла (обычно используется специальный порошок) от анода к детали через ускоряющий катод (рис. 2.4).

        
 
 
 
 
 

      Рис. 2.4. Схема плазменного напыления:

      1 – катод; 2 – анод; 3 – струя  плазмы с расплавленными частицами  покрытия; 4 – деталь.

      Электрическая дуга между анодом и катодом нагревает  и превращает рабочее тело установки (обычно это аргон) в  плазму с температурой несколько десятков тысяч градусов. Выходя из сопла установки с большой скоростью, плазма захватывает подаваемые в камеру установки (плазматрон) частицы порошка, которые приобретают в струе большую скорость и температуру. При попадании на поверхность детали расплавившееся в струе частицы порошка сцепляются с поверхностью, застывают и образуют покрытие.

      Очевидно, что в процессе нанесения покрытия деталь нагревается и тем сильнее, чем больше толщина покрытия. Местный перегрев деталей (коленчатый вал), как правило, приводит их  к деформации, причем, чем тоньше вал, тем больше деформация. Другим, еще более серьезным недостатком плазменного напыления является существенная разница между напыленным металлом (никель, титан и др.) и основным металлом вала (чугун). Для нанесения покрытия обычно требуется «занижение» (предварительная обработка) поверхности, а это снижает прочность вала. Кроме    всего прочего, напыленные металлы обычно плохо обрабатываются шлифованием – шлифовальный круг «заслаивается», его небходимо часто править, а качество шлифованной поверхности снижается. Повторное восстановление вала также затруднено, поскольку обычно требуется снимать напыленный ранее слой до основного металла. 

      Газопламенное напыление.

      

      Другой  вариант напыления – когда  нагрев порошка происходит в струе  в струе пламени ацетиленокислородной горелки (рис. 2.5). Частицы порошка  расплавляются и, попадая на деталь, образуют покрытие.

      Рис. 2.5. Схема газопламенного напыления:

      1 – подача порошка для покрытия; 2 – ацетиленокислородная горелка; 3 – струя пламени с расплавленными частицами порошка; 4 – восстанавливаемая деталь.

      Технологический процесс газопламенного напыления  покрытий: нагрев поверхности детали (коленчатого вала) до 200…250⁰С; нанесение подслоя, который дает основу, необходимую для наложения основных слоев; нанесение основных слоев, позволяющих получить покрытия с необходимыми физико-механическими свойствами.

      В зависимости от назначения и материала  детали, условий эксплуатации, контактов сопрягаемых поверхностей при восстановлении деталей используют следующие методы газопламенного напыления покрытий:

      без последующего оплавления – используется для восстановления деталей с износом до 2,0 мм на сторону без деформации, не подвергающихся в процессе эксплуатации ударам.

      с одновременным оплавлением  – используется для восстановления деталей с местным износом до 3…5 мм, работающих при знакопеременных и ударных нагрузках.

      с последующим оплавлением  – дает возможность восстанавливать детали типа вала с износом до 2,5 мм на сторону.

      Недостатками  данного метода являются – малая  производительность, большая стоимость  напыляемых материалов и плюс обладает  всеми недостатками предыдущего  способа. 

      Электродуговое  напыление.

      Процесс электродугового напыления осуществляется специальным аппаратом, который действует следующим образом. С помощью протяжных роликов по направляющим наконечникам  непрерывно подаются две проволоки, к которым подключен электрический ток. Возникающая между проволоками дуга расплавляет металл. Одновременно по воздушному соплу в зону дуги поступает   сжатый    газ под давлением 0,6 Мпа. Большая скорость движения частиц металла (120…300 м/с) и незначительное время полета, исчисляемое тысячными долями секунды, обуславливают в момент удара о деталь ее пластическую деформацию, заполнение частицами пор поверхности детали, сцепление    частиц между собой и с поверхностью, в результате чего образуется сплошное покрытие. Последовательным наслаиванием расплавленного металла можно получить покрытие, толщина слоя которого может быть от нескольких  микрон до 10 мм и более.

      Особенностью  электродугового напыления является образование нескольких максимумов в факеле распыления. Это связано  с тем, что струя сжатого воздуха  рассекается электродными проволоками на два или три потока, в зависимости  от числа проволок, подаваемых в очаг плавления. В каждом из этих потоков образуется своя ось максимальной  концентрации распыленных частиц.