Совершенствование технологии восстановления коленчатого вала двигателя КамАЗ-740

Аспирант

Казанский Государственный Энергетический Университет

Совершенствование технологии восстановления коленчатого вала двигателя КамАЗ-740

По данным Минсельхоза РТ, в республике только изношенных коленчатых валов (КВ) двигателей КамАЗ и тракторов типа К700 накопилось несколько тысяч, а стоимость новых доходит в настоящее время до 25 тыс. руб. и они дефицитны.

Рассмотрим причины износа КВ. Известно, что выход из строя КВ, обычно происходит из-за дефицита смазочного материа­ла в трущихся парах при высоких удельных на­грузках и скоростях скольжения [6].

Дефицит смазки возникает вследствие плохой смачиваемости рабочих поверхностей пары тре­ния: масло не удерживается на отполированных поверхностях шеек, масляный клин не образуется, и наступают условия полусухого трения сколь­жения, перегрев сопряжения, схватывание. Это происходит только при стечении определенных условий: при перегреве двигателя; из-за недостаточного охлаждения; при переко­сах и деформациях деталей. По­вышенный износ наступает в момент пуска и в начальный период работы холодного двигателя; в зимний период года, когда в зазор между шейкой вала и подшипником плохо поступает загус­тевшее масло.

Значит, при восстановлении коленчатых валов с аварийным износом шеек необходимо нанести на изношенные шейки такое покрытие, которое бы обеспечило нормальные условия смазки пары трения в условиях дефицита масла.

Такими свой­ствами обладают покрытия, получаемые электро­дуговой металлизацией (ЭМ). Структура таких покрытий микропористая, способная впитывать в себя до 10 % горячего масла и удерживать его не только в микропорах, но и на поверхности за счет микрократеров, образованных пористостью. Мас­ло, находящееся на поверхности в таких микроемкостях, компенсирует дефицит смазочного материала в экстремальных условиях работы па­ры трения.

Основными преимуществами ЭМ, для восстановления деталей, являются: низкое температурное воздействие на деталь (не более 120 °С), что исключает ее деформацию и снижение усталостной прочности; высокая износостойкость покрытий, которая определяется их специфической структурой и пористостью; высокая производительность процесса напыления (до 20 кг/ч присадочного металла); возможность использования различных композиционных материалов, позволяющая получать покрытия с различными свойствами; оптимальная пористость покрытия, определяющая его высокую маслоемкость; толщина покрытия 0,1 – 10 мм и выше; процесс не требует высокой квалифи­кации исполнителей.

Основным недостатком всегда считалась ни­зкая адгезионно-когезионная прочность и невысокая твердость покрытия. Из-за этого та­кие детали, как тормозные барабаны, коленча­тые валы и др., не восстанавливали методом ЭМ и в настоящее время не находит широкого применения на авторемонтных предприятиях.

Повышение физико-механических свойств металлизированных покрытий представляет собой актуальную научную и практиче­скую задачу.

Классическая техно­логия ЭМ состоит из двух основных операций: струйно-абразивная обработка и нанесение основного слоя углеродистой, леги­рованной стали [2].

Коленчатый вал двигателя КамАЗ-740 изготовлен из высоколегированной стали 42ХМФА-Ш и упрочнен ТВЧ. Твердость поверхности 52 – 62 HRC. В связи с этим, возникает трудность струйно-абразивной обработки высоко твердой поверхности КВ.

Решение описанных выше проблем можно найти в области объединения в едином технологическом процессе нескольких принципиально различных методов обработки поверхности.

Предлагаем применить комбинированный метод восстановления КВ. Наиболее приемлемым методом обработки поверхности перед металлизацией, был избран метод электроискрового легирования (ЭИЛ). При этом принимались во внимание следующие соображения:

1. Высокая прочность сцепления и повышенная шероховатость тонких легирующих покрытий, позволяющие использовать их для нанесения предварительных слоев [1];

2. Обнаруженный рядом исследователей в процессе ЭИЛ эффект аномально активной диффузии и активизации поверхности [3], что должно способствовать активизации диффузионных процессов в газотермических покрытиях;

3. В зоне воздействия разряда отмечен эффект разложения и восстановления оксидов и очистки поверхности [5], что может способствовать упрочнению поверхности в зоне разряда за счет разрушения оксидных пленок, препятствующих адгезии и когезии;

4. Не большой расход легирующих материалов т. к., ЭИЛ позволяет вносить легирующие включения только в тонкие поверхностные слои.

5. Простота, миниатюрность, низкая энергоёмкость (мощность применяемых источников питания составляетВт), дешевизна применяемого оборудования и возможность полной автоматизации процесса легирования без снижения производительности всего процесса восстановления деталей.

6. Возможность исключить операцию струйно-абразивной обработки, с упрощением технологического участка.

В связи с вышесказанным, была поставлена цель, разработать технологический процесс для восстановления номинальных размеров коленчатого вала КамАЗ–740. Также, разработать электротехнический комплекс для данного технологического процесса.

Процесс восстановления КВ реализуется в новом технологическом процессе (рис.1.), который состоит из следующих основных операций: подготовка КВ; нанесение подслоя электроискровым легированием; нанесение основного слоя метала электродуговой металлизацией; шлифование и полирование восстановленной поверхности.

 

Рис. 1. Схема технологии восстановления коленчатого вала КамАЗ-740

Новизна технологического процесса состоит в применении операции ЭИЛ поверхности, перед процессом металлизации.

Из классической технологии восстановления, исключена операция струйно-абразивной обработки (СО). Функции СО (нанесение шероховатости и снятие оксидной пленки с поверхности детали), в новом способе восстановления, выполняет процесс ЭИЛ.

Экспозиция КВ в атмосфере, содержащей молекулы жира, воды (что характерно для авторемонтного производства) приводит к их адсорбции. Это приведет к уменьшению адгезионных и когезионных свойств напыленного покрытия. Следовательно, время между ЭИЛ и металлизацией, необходимо снизить до минимума. Снизить интервал времени, возможно, лишь разработав технологическую оснастку, позволяющую проводить ЭИЛ детали непосредственно на металлизационной установке.

Для данного технологического процесса был разработан электротехнический комплекс, который состоит из электроискровой установки (ЭИУ) и электродугового металлизатора ЭДМ-5М. Также, разработана технологическая оснастка, позволяющая быстро снять с рабочего места ЭИУ и легко установить электродуговой металлизатор. Причем время на переустановку комплекса, с процесса ЭИЛ на ЭМ, требуется не более 2 мин.

Для проведения экспериментально-практических исследований была построена электроискровая установка (рис.2).

 

Рис. 2. Схема экспериментальной электроискровой установки:

СФ – сетевой фильтр; ИПС – источник питания силовой; ИПГИ – источник питания генератора импульсов; ГИ – генератор импульсов; ЭМВ – электромагнитный вибратор.

Установка состоит из источников питания, генератора импульсов и электромагнитного вибратора. ИПС имеет регулировку выходного напряжения на рабочем электроде от 7 до 80 В (регулировка мощности импульсов). ГИ генерирует прямоугольные импульсы с частотой 100 – 1000 Гц и длительностью 0,5 – 1,5 мс. ЭМВ приводит электрод в колебательное движение. Пр1 – переключатель накопительных конденсаторов. Пр2 – переключатель режима измерения рабочих параметров.

Принцип работы установки в следующем. Электромагнитный вибратор приводит в колебательное движение рабочий электрод, на который подается положительный потенциал заданной мощности. Частота и скважность колебания электрода задаются соответствующими регуляторами на ГИ. Мощность рабочих импульсов определяется по значениям, полученным с помощью встроенного измерительного прибора. Частота импульсов замеряется осциллографом.

При сближении электродов – анода, наносимого материала, и катода поверхности шейки КВ, происходит увеличение напряженности электрического тока [4]. При некотором расстоянии напряженность становится достаточной для возникновения искрового разряда. В результате от анода отделяется капля расплавленного металла и движется к катоду, опережая движущийся вслед с большой скоростью анод. Частица, достигнув катода, прилипает и частично внедряется в его поверхность. Вслед за частицей движется электрод, включенный в систему, успевшую вновь накопить энергию, так как источник ее питания продолжал работать. Через раскаленные частицы, лежащие на катоде, проходит второй импульс тока, сопровождающийся механическим ударом массы электрода-анода. Второй импульс сваривает частицы между собой и прогревает поверхность катода, на котором они лежат. Происходит диффузия частиц в поверхность катода и химическая реакция между этими частицами и материалом катода. Затем анод движется вверх, а на катоде остается слой металла, прочно соединенный с его поверхностью.

Одной из функций ЭИЛ является нанесение шероховатости на обрабатываемую поверхность. С точки зрения адгезии газотермических покрытий оптимальной является шероховатость поверхности 65 – 95 мкм [1].

Удельная продолжительность легирования и электрический режим ЭИУ оказывают очень большое влияние на шероховатость легированной поверхности. При проведении нескольких опытов мы заметили, что увеличение напряжения и силы тока влечет за собой увеличение шероховатости поверхности. Это объясняется увеличением энергии каждого импульса. А увеличение частоты импульсов ведет к увеличению производительности.

Выявлено, что шероховатость поверхности начинает снижаться после однократной обработки поверхности электрическим разрядом, следовательно, не следует проводить ЭИЛ более времени, необходимого для однократного воздействия на единицу площади детали.

Таким образом, для увеличения адгезионной прочности (АП) металлизированного покрытия выбраны следующие технологические факторы процесса легирования: удельная продолжительность ЭИЛ; ток при ЭИЛ; частота импульсов; время экспозиции основы на воздухе.

Принцип работы металлизатора ЭДМ-5М состоит в расплавлении двух проволочных электродов (проволока ТП-ПП-2) обра­зующейся между ними электрической дугой и рас­пылении расплавленного металла струёй сжатого воздуха (6 – 8 атм). Электрическая дуга питается от сварочного аппарата ВДУ-506.

Металлические частицы, попадая на восстанавливаемую поверхность, сцепляются с ней и обра­зуют сплошное покрытие; при этом толщина слоя регулируется числом проходов металлизатора и скоростью его перемещения относительно метал­лизируемой поверхности.

С помощью разработанного электротехнического комплекса был проведен ряд опытов. Обрабатываемые образцы из стали Ст45 легировали электродом Х20Н80 с последующей металлизацией. Выявлены оптимальные параметры удельной продолжительности и электрического режима ЭИЛ, которые положительно влияют на увеличение АП металлизированного покрытия.

Сейчас ведутся работы по оптимизации рабочих режимов ЭИУ и автоматизации всего процесса восстановления коленчатого вала.

Заключение

Разработан технологический процесс и электротехнический комплекс для восстановления КВ, который включает в себя электроискровую установку, для предварительной обработки поверхности шеек коленчатого вала КамАЗ-740, и электродуговой металлизатор ЭДМ-5М, для нанесения основного слоя металла на восстанавливаемую поверхность. Данный комплекс позволяет повысить адгезионную прочность покрытия, упростить технологический участок металлизации, оптимизировать процесс восстановления, снизить затраты рабочего времени и электроэнергии.

Литература:

1. , , Сидоренко покрытия из порошковых материалов. – Киев.: Наукова думка. 1987. – 534 с.

2. Иващенко ремонта автомобилей. – Киев: Издательское объединение «Вища школа», 1977. – 360 с.

3. , , Верхотуров элементов в поверхностных слоях при ЭИЛ // Электронная обработка материалов.– 1977.–№3.–С.28–33.

4. , . Электроискровая обработка токопроводящих материалов. М.: Изд-во АН СССР, 19с.

5. Могилевский исследования поверхностного слоя стали после электроискрового легирования // Электроискровая обработка материалов. Изд-во АН СССР.- 1957.–С.95–116.

6. , Суслов деталей машин при трении. – Л.: Машиностроение. Ленинг. отд-е, 1989. – 229 с.